이우영 교수팀, 2차원 백금 디셀레나이드(PtSe₂) 기반 자가구동 고해상도 온도 센서 개발
표면 도핑만으로 단일 나노시트에 p–n 동종접합 형성
재료공학 분야의 권위 있는 학술지 'ACS Energy Letters' 게재

 신소재공학과 이우영 교수 연구팀이 2차원 백금 디셀레나이드(PtSe₂) 나노시트에 ‘선택적 표면 전하 이동 도핑(surface charge-transfer doping)’ 기법을 적용해 단일 재료 기반의 p–n 동종접합 구조를 구현하고, 이를 이용한 자가구동 고해상도 온도 센서를 개발했다. 이 센서는 외부 전원 없이도 0.1K 이하의 미세한 온도 차이를 감지할 만큼 높은 분해능을 갖추었으며, 공정 또한 단순해 차세대 초소형·고집적 온도 센서 플랫폼으로서 가능성을 보여준다.

연구팀은 화학 기상 증착으로 성장시킨 5층 두께의 PtSe₂ 나노시트가 준금속적 특성을 지니지만, 도핑을 통해 양극성 전도 특성을 억제하고 열전 성능을 증폭할 수 있다는 점에 주목했다. 이에 기존의 이온 주입이나 플라즈마 처리 방식 대신, 물질 손상이 거의 없는 표면 전하 이동 도핑 방식을 도입했다.

연구팀은 PtSe₂ 나노시트 왼쪽에는 전자 공여체 역할을 하는 벤질 비올로겐(benzyl viologen)을, 오른쪽에는 매직 블루(Magic Blue)를 선택적으로 에어브러시 도포해 각각 n형과 p형 영역을 성공적으로 유도했다.

이렇게 제작된 PtSe₂ 기반 p–n 동종접합 구조를 온도 센서로 동작시키기 위해, 연구팀은 마이크로 히터와 온도 센서 전극을 포함한 미세 소자를 제작했다. 히터 회로를 통해 온도 차를 유도하고 양쪽 전극 사이에 발생하는 열전 전압을 측정한 결과, 도핑 전에는 관찰되지 않던 열전 전압이 선택적 도핑 후에는 히터 전류에 비례해 선형적으로 증가하는 뚜렷한 열전 응답이 나타났다. 이는 별도의 전원 없이 열전 전압만으로 실시간 온도 변화를 읽어낼 수 있는 자가구동형 고해상도 온도 센서가 구현됐음을 의미한다.

이번 연구는 2차원 반도체 물질의 p–n 접합 형성을 위해 사용된 기존 공정의 복잡성, 물질 손상, 비용 증가 등의 한계를 극복했다는 점에서도 큰 의의를 가진다. 연구팀이 적용한 표면 전하 이동 도핑은 합성 이후 상온에서 간단히 수행할 수 있으며, 나노시트 내부 격자를 손상시키지 않으면서도 도핑 농도와 영역을 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 장점 덕분에 다양한 2차원 소재에도 확장 적용 가능한 범용적 p–n 동종접합 형성 전략으로 평가된다. 특히 이번 성과는 칩 스케일 온도 센싱, 집적 회로 열 관리, 바이오·의료용 미세 온도 모니터링 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.

한편, 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 과학기술사업화진흥원의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료공학 분야 권위지 ACS Energy Letters (IF=19, JCR 4.1%)에 11월 27일 온라인 게재됐다.

출처

연세소식/ 연세대학교 홍보팀

논문정보

- 논문제목: Lateral PtSe2 p–n Homojunction Formation via Selective Surface Doping for Self-Powered Temperature Sensing

- 논문주소: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsenergylett.5c02461?ref=article_openPDF