[논문 리뷰] Molecular Bridge Mediated Ultra-Low-Power Gas Sensing

Aishwaryadev Banerjee, Shakir-ul Haque Khan외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 14.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초저전력 가스 센싱을 위한 분자 다리가 매개하는 나노간극 장치를 제시한다. 여기서 목표 가스 분자(1,5-다아미노펜탄)가 10 nm 홈이 있는 금 전극 간극을 가로질러 전기적 안정성을 가진 분자 다리를 형성하여, 터널링 장벽을 약 ~5 eV 에서 약 ~0.9 eV 로 감소시키고, 80 ppm의 가스에서 간극 저항을 10⁸ 배 이상 감소시킨다. 장치는 15 pW 미만의 스탠바이 전력 소비를 달성하여, 분자 다리를 통한 전자 터널링이 에너지 효율적인 센싱을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report the electrical detection of captured gases through measurement of the tunneling characteristics of gas-mediated molecular junctions formed across nanogaps. The gas sensing nanogap device consists of a pair of vertically stacked gold electrodes separated by an insulating spacer of (~1.5 nm of sputtered amorphous Si and ~4.5 nm ALD SiO2) which is notched ~10 nm along the edges of the top electrode. The exposed gold surface is functionalized with a self-assembled monolayer (SAM) of conjugated thiol linker molecules. When the device is exposed to a target gas (1, 5-diaminopentane), the SAM layer electrostatically captures the target gas molecules forming a molecular bridge across the nanogap. The gas capture lowers the barrier potential for electron tunneling from ~5 eV to ~0.9 eV across the notched edge regions and establishes additional conducting paths for charge transport between the gold electrodes, leading to a substantial decrease in junction resistance. We demonstrated an output resistance change of greater than 100000000 times on exposure to 80 ppm of diamine target gas as well as ultra-low standby power consumption of smaller than 15 pW, confirming electron tunneling through molecular bridges for ultra-low power gas sensing.

연구 동기 및 목표

• 휴대용 및 장기적 응용을 위한 초저전력 소비 가스 센서 개발.
• 분자 접합 터널링 특성을 통해 유기 화합물 가스의 전기적 감지 가능화.
• 선택적이고 가역적인 가스 감지를 위한 분자 다리 형성을 활용하는 나노스케일 장치 아키텍처의 구현.
• 고감도의 미량 가스 농도 감지 능력을 유지하면서 피코와트 이하의 스탠바이 전력 소비 달성.

제안 방법

• 1.5 nm 스퍼터링된 비정질 Si와 4.5 nm ALD SiO2 절연 스퍼터를 포함한 수직으로 쌓인 Au 전극 구조가 나노간극을 형성한다.
• 상부 전극이 가장자리에 약 10 nm의 홈이 가로지르도록 가공되어 국소적 터널링 영역을 형성한다.
• 노출된 Au 표면은 선택적 가스 흡착을 가능하게 하기 위해 공액성 티올 분자의 자가 배열 단층막(SAM)으로 기능화된다.
• 목표 가스 분자(1,5-다아미노펜탄)가 SAM에 전기적으로 결합하여 나노간극을 가로질러 분자 다리를 형성한다.
• 가스에 의해 매개되는 분자 다리를 통한 전자 터널링으로 인해 효과적인 장벽 전위가 약 ~5 eV 에서 약 ~0.9 eV 로 감소한다.
• 가스 노출에 의해 유도된 변화를 측정하기 위해 현장에서 간극 저항을 측정함으로써 분자 포집의 전기적 변환을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노간극을 가로질러 분자 다리 형성이 이루어질 경우, 미량 가스 분자의 고감도 전기적 감지가 가능할 수 있는가?
• RQ2 목표 가스 분자가 존재할 경우, 분자 접합 내 터널링 장벽 전위는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 분자 터널링 기반 가스 센서 장치에서 도달 가능한 최소 스탠바이 전력은 얼마인가?
• RQ4 분자 다리 형성은 나노스케일 접합의 도전성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 장치는 초저전력 작동과 고감도를 동시에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 80 ppm의 1,5-다아미노펜탄 가스에 노출되었을 때 장치의 저항은 10⁸ 배 이상(100,000,000×) 감소하였다.
• 분자 다리 형성으로 인해 터널링 장벽 전위가 약 ~5 eV 에서 약 ~0.9 eV 로 감소하여, 현저한 전하 이동 증가가 가능해졌다.
• 장치는 15 pW 미만의 스탠바이 전력 소비를 달성하여 초저전력 작동이 확인되었다.
• 선택적이고 가역적인 반응으로 인해 분자 다리 메커니즘이 확인되었으며, 비타겟 기체에는 반응이 없었다.
• 홈이 가로지르는 전극 기하구조는 국소 전기장을 강화하여 가장자리 영역에서 효율적인 분자 다리 형성과 터널링을 촉진하였다.
• 공액성 티올 SAM의 사용으로 다이아민 타겟 분자의 선택적 전기적 포집이 가능해져 안정적인 분자 다리 형성이 촉진되었다.