전하 이동 기반 장벽 변조에서 MoS2 비대칭 가스 센서의 캐리어 전송 속성

초록

지난 몇 년 동안 2차원 재료는 고유한 특성 때문에 차세대 전기 감지 장치로 엄청난 관심을 받았습니다. 여기에서 MoS₂의 캐리어 전송 속성을 보고합니다. 주변 및 가스 노출 조건에서 쇼트키 다이오드. 모스₂ 전계 효과 트랜지스터(FET)는 Pt 및 Al 전극을 사용하여 제작되었습니다. Pt의 일함수는 MoS_2,보다 높다. Al은 MoS₂보다 낮습니다. . MoS₂ Al 접점이 있는 소자는 SBH(쇼트키 장벽 높이)가 낮기 때문에 Pt 접점보다 훨씬 더 높은 전류를 보였습니다. MoS₂의 전기적 특성 및 가스 반응 Al 및 Pt 접점이 있는 쇼트키 다이오드는 전기적으로 측정되었으며 밀도 기능 이론 계산에 의해 시뮬레이션되었습니다. 다이오드의 이론적으로 계산된 SBH(가스 흡수 하에서)는 NO_x 분자는 다이오드와 강한 상호작용을 하여 음전하 이동을 유도했습니다. 그러나 NH₃의 경우에는 반대 경향이 관찰되었다. 분자. 또한 MoS₂의 가스 감지 성능에 대한 금속 접촉의 영향을 조사했습니다. FET는 실험적으로나 이론적으로나 마찬가지입니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

최근 몇 년 동안 그래핀이 발견된 후 수직으로 적층된 층이 반 데르 발스(vdW) 힘에 의해 연결된 2차원(2D) 나노 물질이 독특한 특성으로 인해 큰 주목을 받고 있습니다[1,2,3,4 ,5]. 탄소의 층상 육각형 구조인 그래핀은 높은 캐리어 이동도[6, 7], 기계적 강도[8], 유연성[9, 10]과 같은 고유한 특성을 가지며 나노 전자 장치의 새로운 길을 열었습니다. 최근 MoS₂와 같은 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 및 WSe₂ , 그래핀에 비해 밴드갭이 더 높기 때문에 연구되었다[11,12,13,14,15]. 단층 MoS_2, 두께가 6.5Å인 가장 널리 알려진 2D-layered TMD입니다. 최대 ~ 200cm² 의 높은 이동성을 보여줍니다. V⁻¹ s⁻¹ [16] 및 ~ 10⁸ 을 초과하는 켜짐/꺼짐 비율 [17]. 또한 MoS₂ 밴드갭이 0인 그래핀과 달리 벌크에서는 간접 밴드갭이 1.2eV[18]이고 단일 레이어에서 직접 밴드갭이 1.8eV[19]인 반도체입니다. 그래핀의 이러한 제로 밴드 갭은 나노전자 장치에서의 응용을 제한합니다.

MoS₂를 개발하기 위해 실리콘 기반 소자에 필적하는 성능을 가진 트랜지스터, 격자 상태의 품질, 제조 및 접촉 금속과 MoS 사이의 접촉 저항과 같은 많은 제한₂ 극복해야 합니다. 이 맥락에서 이전의 많은 연구는 MoS₂ 인터페이스에서 전기적 상호 작용을 개선하는 데 중점을 두었습니다. 및 금속 전극. 접촉 관련 속성에는 전위차, 어닐링 조건 및 면적이 포함되기 때문입니다. 그러나 이러한 연구의 대부분은 대칭 접합을 가정하고 실험 및 이론 분석을 모두 포함하지 않았습니다. 또한 MoS₂의 캐리어 거동을 분석하기 어렵습니다. 밴드 구조 변조만 관찰하여 가스 노출 조건에서 이 기본 대역 구조는 변조를 결정하는 특정 값을 제공할 수 없기 때문에 이 시뮬레이션 결과를 적용하는 데 제한이 있습니다. 또한 쇼트키 장벽 높이(SBH)가 MoS₂의 전기적 응답을 결정하는 중요한 요소로 여겨지지만 기존 연구에서는 SBH의 효과를 이론적으로나 실험적으로 분석하지 않았습니다.

이 연구에서 우리는 MoS₂를 제작했습니다. 기체 노출 조건에서 쇼트키 장벽을 통한 캐리어 수송을 관찰하기 위한 비대칭 전극 Al 및 Pt가 있는 FET. 먼저, KPFM(Kelvin Probe Force Microscopy)을 사용하여 표면 전위를 측정하여 장치의 일함수 차이를 기하학적으로 매핑했습니다. MoS₂를 디자인하려면 쇼트키 다이오드, MoS₂의 접촉 효과 /metal 인터페이스는 이론적(DFT(밀도 함수 이론) 계산) 및 실험(대칭 및 비대칭 MoS₂의 전기적 측정) 모두에서 주변 조건에서 분석되었습니다. FET). 다이오드의 전기적 응답은 가스 노출 조건에서 측정되었습니다. 그런 다음 이 전기적 응답을 이론적으로 계산된 SBH 변화 값과 비교하여 변조를 수치적으로 이해할 수 있습니다. 이 연구의 결과는 가스 분자와 MoS₂의 상호 작용에 대한 통찰력을 제공합니다. /MoS₂의 금속 접촉 인터페이스 - 기반 가스 감지 장치.

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메소드

MoS 제작₂ 기기

MoS₂를 제작했습니다. 손쉬운 기계적 전달 방법을 사용하는 쇼트키 장치. MoS₂의 몇 층 플레이크 SPI 공급 업체에서 구입 한 벌크 크리스탈에서 박리되었습니다. PDMS(폴리디메틸실록산) 사용("Sylgard 184", Dow Corning), MoS₂ 고도로 도핑된 Si/SiO₂로 전송되었습니다. 기질. Pt 및 Al 전극(100nm 두께)을 샘플 필름에 증착하고 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)(JSM-7001F, JEOL Ltd.)을 사용하여 전자빔 리소그래피에 의해 패턴화했습니다. MoS₂의 성능 장치는 실온에서 소스/드레인 및 소스/게이트 전압 변조(Keithley 2400 소스 미터)를 측정하여 평가되었습니다.

표면 전위 측정

장치의 표면 전위는 25°C 및 1bar의 주변 공기 조건에서 PtIr 코팅된 실리콘 프로브 팁(SCM-PIT, Veeco)을 사용하여 전기력 현미경(Nanoscope IV, Veeco)의 인터리브 모드로 측정되었습니다. 팁의 첫 번째 스캔은 장치의 표면 토폴로지를 조사했습니다. 장치 표면과 팁 사이의 정전기력을 측정하기 위해 후속 두 번째 스캔이 수행되었습니다.

DFT 계산

MoS₂의 $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $ 슈퍼셀 3개의 Mo 원자와 6개의 S 원자로 준비되었습니다(그림 3a). 이미지의 상호 작용을 방지하기 위해 15Å의 진공 간격이 정의되었습니다. 격자 상수는 3.184Å로 계산되었으며, 이는 실험값(3.160Å)과 잘 일치합니다. Al 또는 Pt 금속 원자의 6개 층이 있는 기판((111) 자유 표면 포함)은 금속과 단층 MoS₂ 사이의 계면을 구성하기 위해 제작되었습니다. . Al 및 Pt 기판의 격자 상수는 각각 4.070 및 3.973Å으로 계산되었습니다. 각 구조의 기하학 최적화 후, 단층 MoS₂ 기판에 증착되었고 구성이 다시 최적화되었습니다. MoS₂ 간의 격자 불일치 MoS₂의 단층 때문에 금속 기질이 관찰되었습니다. 지오메트리 최적화 중에 늘어납니다. 단층 MoS₂의 구조 가스 분자 포함(NO₂ 포함) 및 NH₃ ) 또한 $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $ 슈퍼셀을 사용하여 구성 및 최적화되었습니다.

DFT 계산은 VASP(Vienna ab initio 시뮬레이션 패키지)[20,21,22,23]를 사용하여 수행되었습니다. GGA(generalized gradient approximation)-PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)에서 PAW(Projector Augmented-wave) 방법의 교환 보정 기능이 vdW 보정과 함께 사용되었습니다[24,25,26,27]. 기본 세트의 차단 에너지는 모든 계산에 대해 500eV로 확장되었습니다. 자기 일관성 및 밴드 구조 계산을 위해 전자 에너지 수렴 및 원자력 기준을 10⁻⁵ 으로 설정했습니다. eV 및 0.02eV/Å입니다. Brillouin-zone 샘플링에 대한 K-포인트는 8 × 8 × 1(감마(Γ) 포인트 중심)입니다. 기체 분자와 MoS₂ 사이의 vdW 상호작용 측정용 , Grimme의 DFT-D2 방법이 사용되었습니다[28].

결과 및 토론

MoS₂를 준비했습니다. 두 가지 유형의 전극(Al 및 Pt)이 있는 소자를 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 형태와 두께를 특성화했습니다(그림 1a). 그림 1b는 MoS₂의 높이를 보여줍니다. 단면선을 따라 층을 만듭니다(그림 1a에서 빨간색 선으로 표시). MoS₂의 두께 샘플은 4nm였습니다. MoS₂의 작업 기능 차이를 보여주기 위해 대칭 및 비대칭 전극이 있는 장치에서 KPFM을 사용하여 MoS₂ 간의 접촉 전위차를 측정했습니다. 그리고 프로브 팁. 프로브 팁과 샘플이 충분히 가까울 때 일함수 차이로 인해 정전기력이 가해졌습니다. 두 재료의 정전기력과 일함수의 관계는 다음과 같습니다.

$$ {F}_{\mathrm{정전기}}=\frac{q_{\mathrm{s}}{q}_{\mathrm{t}}}{4{\pi \varepsilon}_0{z}^ 2}+\frac{1}{2}\frac{dC}{dz}{\left({V}_{\mathrm{적용}}-{V}_{\mathrm{연락처}}\right)} ^2 $$

여기서 dC /dz 샘플과 팁 사이의 미분 커패시턴스, q _s 는 표면 전하이고 q _t 팁의 요금입니다. V _연락처 표면 전위 값으로 특징지을 수 있습니다[29]. 표면 전위 값을 사용하여 일 함수를 다음과 같이 계산했습니다.

$$ {V}_{\mathrm{연락처}}={\Phi}_m-{\chi}_s-\varDelta {E}_{fm}-\varDelta \Phi $$

여기서 Φ_m 프로브 팁의 일 함수, χ _s 는 전자 친화력, ΔE _fn 전도대의 가장 낮은 수준에서 페르미 수준 위치, 및 Δ Φ는 수정된 밴드 굽힘입니다.

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아 MoS₂의 개략도 Al 및 Pt 접점이 있는 쇼트키 다이오드. ㄴ MoS₂의 AFM 이미지 비대칭 금속 전극(Al/Pt)이 있는 쇼트키 다이오드 소자. ㄷ MoS₂의 두께 측정 장치의 단면 분석 층. d 동일한 장치의 표면 전위 이미지. 이 MoS₂의 상대 표면 전위의 정규화된 분포 , 알루미늄 및 백금

장치의 표면 전위 매핑은 그림 1c에 나와 있습니다. 전극과 채널 부분의 일함수를 얻기 위해 PtIr 코팅된 Si 팁의 일함수 값(4.85 eV)을 추가했습니다[30]. 그런 다음 정규화 프로세스에 따라 MoS₂의 백분율 값을 배치했습니다. 그림 1d와 같이 Pt와 Al 사이. Al과 MoS의 표면 전위의 차이₂ Pt와 MoS₂의 표면 전위 사이보다 작은 22.5% (100%). Pt와 달리 Al은 MoS₂에 필적하는 일함수를 가지고 있습니다. . 이것은 Al의 표면 전위가 MoS₂의 표면 전위와 비슷하기 때문입니다. . 이후 MoS₂ 및 Al은 유사한 작업 기능을 가지며 옴 접점을 형성할 수 있습니다. 모스₂ Pt는 표면 전위가 크기 때문에 쇼트키 접촉을 보입니다. 가스 감지 메커니즘을 이해하기 위해서는 가스 흡수 상태에서 잠재적인 변조가 발생하는지 확인하기 위한 추가 연구가 따라야 합니다.

소자의 비대칭 접합 특성을 비교하기 위해 - 15-15V의 게이트 전압 범위에서 Al 및 Pt 접점이 있는 소자의 전류-전압 특성이 각각 그림 2a, c에 나와 있습니다. MoS₂ Al 접점이 있는 소자는 Pt 접점이 있는 소자보다 훨씬 높은 선형 드레인 전류를 보였다. Al 접점의 전류는 Pt 접점의 전류보다 1000배 이상 높습니다. 이것은 낮은 일함수 금속 접촉을 가진 장치의 SBH가 낮다는 것을 시사합니다. 금속 접촉이 MoS₂에 미치는 영향을 추가로 조사하려면 /금속 인터페이스에서 서로 다른 순방향 바이어스 전압(0.1, 5, 10V)에서의 전달 특성을 측정했습니다(그림 2b, d). 두 경우 모두(Al 및 Pt 접촉), MoS₂의 전달 곡선 즉, 양의 게이트 전압에서 전류 레벨이 음의 게이트 전압에서보다 더 높은 n형 반도체의 특성을 보여주었다[31]. 0.1V의 소스-드레인 바이어스에서 Al 접점이 있는 기기만 온-오프 경향을 보였습니다. 바이어스가 5V로 증가했을 때 Al 및 Pt 접점의 온-오프 비율은 약 10⁶ 이었습니다. 및 10³ , 각각. 바이어스 전압이 10V에 접근함에 따라 Al 접점이 있는 장치의 오프 기능이 비활성화되고 Pt 접점의 온-오프 비율이 증가했습니다. 이는 특정 전류 범위에서 원하는 성능을 가진 가스 감지 장치를 달성하기 위해 적절한 금속 접점을 사용하는 것이 필수적임을 시사합니다. 장치의 임계 전압을 결정하기 위해 $ \sqrt{I_{DS}} $ 대 게이트 전압 곡선이 전달 곡선에 추가되었습니다(그림 2b, d). 이는 $ \sqrt{I_{DS}}-{V}_g $ 선의 변동을 평활화하여 문턱 전압을 측정하는 것이 더 쉽기 때문입니다. Al 전극이 있는 장치의 경우 $ \sqrt{I_{DS}}-{V}_g $ 라인에 의해 유도된 임계 전압은 약 - 70 V인 반면 Pt 전극이 있는 장치의 임계 전압은 약 - 30 V( 그림 2a, c). Al 접점이 있는 소자의 문턱 전압은 Pt 접점이 있는 소자보다 훨씬 낮았다. 이것은 Al/MoS₂의 낮은 쇼트키 높이 때문일 수 있습니다. Pt/MoS₂의 인터페이스와 비교한 인터페이스 상호 작용. 또한, Al 접촉 소자의 문턱 전압은 소스-드레인 전압에 의해 강하게 변조되었다. 반면에 Pt가 드레인-소스 전압과 접촉한 소자의 문턱 전압에는 큰 변화가 관찰되지 않았다.

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아 출력 곡선 및 b MoS₂의 전송 곡선 Al-Al 대칭 전극이 있는 장치. ㄷ 출력 곡선 및 d Pt-Pt 대칭 전극이 있는 동일한 장치의 전달 곡선

금속/MoS₂에서 전기적 상태를 이론적으로 분석하려면 인터페이스, DFT 계산은 MoS₂를 사용하여 수행되었습니다. -on-Al 구성(그림 3a, b). 표 1은 격자 불일치 및 거리 h를 나열합니다. MoS₂ 사이 및 금속 기판. 이 연구에서 얻은 값은 이전에 보고된 값과 일치했습니다[32]. MoS₂의 밴드 구조 Al 및 Pt 기판과 함께 각각 그림 3c, d에 표시됩니다. 일함수 및 SBH 값은 표 1에 요약되어 있습니다. 일함수 및 SBH 값은 표 1에 요약되어 있습니다. MoS₂의 일함수 Pt 기판(5.755eV)을 사용한 결과는 이전 결과(5.265eV)와 잘 일치합니다[32]. Al 기판이 있는 장치의 SBH 값은 Pt 기판이 있는 장치의 값보다 72% 낮습니다. SBH 차이의 원인은 Al과 Pt의 일함수 차이에서 기인합니다. Al의 일함수는 Pt의 일함수보다 64% 낮습니다. 따라서 Al/Pt 비대칭 접촉 시스템은 다이오드로 기능할 수 있습니다.

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아 , b MoS₂의 3D 모델 DFT 계산에 사용된 Al 및 Pt 기판에 ㄷ , d 이 모델의 밴드 구조. 녹색 선은 진공 수준의 일 함수로 0을 취함으로써 설정된 페르미 에너지를 나타냅니다. 파란색 대시는 단층 MoS₂의 에너지 밴드에 해당합니다. . 전도대 사이트에서 녹색 선 값과 파란색 대시 최소값 사이의 차이는 SBH입니다[38]

Al/Pt 비대칭 시스템의 성능을 추가로 조사하기 위해 MoS₂에 Al/Pt 비대칭 금속 전극을 제작했습니다. 쇼트키 장치. 그림 4a는 MoS₂의 전류-전압 특성을 보여줍니다. Al-Al, Pt-Pt, Al-Pt 및 Pt-Al 접점이 있는 장치(소스 및 드레인 순서). Al-Al 및 Pt-Pt 소자의 대칭 곡선과 달리 비대칭 다이오드는 MoS₂ 방향으로 정류 특성을 나타냅니다. /알 연락처. 전하 이동이 장치의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 게이트 바이어스의 함수로 드레인 전류를 관찰했습니다(그림 4b). 소스-드레인 전압에 해당하는 전달 곡선도 얻었습니다(그림 4c). 그림 4c는 소스-드레인 전압이 증가함에 따라 임계 전압이 40V에서 − 40V로 이동했음을 보여줍니다. 대칭형 Al-접촉 소자의 경우에도 유사한 경향이 관찰되었다. 이것은 Al/MoS₂ 접촉 측이 Pt/MoS₂보다 기기의 운송업체 운송에 더 많은 영향을 미쳤습니다. 접촉면.

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아 I-V_DS MoS₂의 곡선 대칭 전극(Al-Al, Pt-Pt) 및 비대칭 전극(Al-Pt)이 있는 장치. ㄴ 전송 곡선 및 c 비대칭 장치의 출력 곡선

MoS₂의 실시간 가스 응답 쇼트키 다이오드는 전하 이동에 따른 쇼트키 장벽 변조를 관찰하기 위해 측정되었습니다. 다이오드의 가스 감도는 다음 방정식을 사용하여 계산되었습니다.

$$ \frac{\Delta R}{R_{\mathrm{air}}}=\frac{R_{\mathrm{gas}}-{R}_{\mathrm{air}}}{R_{\mathrm{ 항공}}} $$

여기서 R _에어 및 R _가스 MoS₂의 저항을 나타냅니다. 주변 및 가스 노출 조건에서 각각 쇼트키 다이오드. 그림 5는 MoS₂의 가스 감지 능력(시간에 따른 저항 변화)을 보여줍니다. NO_{x용 쇼트키 장치} 및 NH₃ 3V의 적용된 소스-드레인 바이어스에서 분자(10, 20, 30ppm). NO_{x 이후} 강력한 전자 수용체이므로 p-도핑 물질이므로 MoS₂ 계면에서 음전하 주입으로 인해 가스 노출이 증가함에 따라 장치의 저항이 증가합니다. [34]. MoS₂의 p-도핑 Schottky 장벽을 증가시켜 MoS₂에서 접촉 저항을 증가시켰습니다. /금속 인터페이스. 신호 응답의 가스 흡수 의존성도 관찰되었습니다. 장치의 감도는 가스 농도가 증가함에 따라 증가하여 전하 이동이 증가했음을 나타냅니다. 반면에 장치의 저항은 NH₃에 노출되면 감소했습니다. (그림 5c). NH₃이기 때문입니다. MoS₂에 전자를 기부합니다. , 따라서 쇼트키 장벽이 감소합니다[35]. NH₃의 측정된 가스 감도 NO_{x보다 훨씬 낮았습니다.} , NH₃ 존재하에서 전하 이동을 나타냄 NO_{x가 있는 경우보다 낮았습니다.} [36]. 또한, 각 단계의 전류 변동 후 가스 농도의 약간의 의존도 관찰되었습니다. NH₃의 증가와 함께 농도, 장치의 저항이 감소했습니다. MoS₂ /Al 인터페이스는 더 높은 NH₃에서 더 낮은 SBH 값을 보여주었습니다. 농도. 이러한 결과를 이론적으로 확인하기 위해 MoS₂의 SBH를 계산했습니다. /Al 인터페이스는 다양한 종류의 가스 분자와 접촉했습니다(그림 5d). Kang et al. 이전에 MoS₂의 쇼트키 장벽 이론에 대해 논의했습니다. /metal contact 3가지 모델을 이용하여 접촉면을 통한 캐리어 수송을 설명하였다[37]. 본 논문에서 설명한 밴드 다이어그램에 따르면 쇼트키 장벽 변조는 전극과 채널의 경계에서 발생한다. 따라서 기체 흡수에 따른 쇼트키 장벽 변조의 관찰을 용이하게 하기 위해 균일하게 분포된 쇼트키 장벽을 갖는 복합 구조를 설계하였다. 그러나 모델이 모든 상황에 적용되는 것은 아닙니다. Type 3은 MoS₂의 직접 접촉 계면에서 Schottky barrier가 형성되지 않음을 보여주었다. 강한 금속화 효과 때문에 금속. MoS₂와 강한 접착력을 갖는 금속 Ti 및 Mo와 같이 유형 3으로 분류됩니다. 금속/MoS에서 다양한 접촉 효과를 탐색하기 위해₂ 합성, 모델 구조를 설계하려면 신중한 고려가 따라야 합니다(추가 파일 1:그림 S1 및 S2). Pt 전극이 있는 장벽이 순방향 바이어스 하에서 캐리어 수송을 방해하지 않기 때문에 장벽 높이를 계산하기 위해 Al 쪽만 선택되었습니다. 아니요₂ 및 NH₃ MoS₂의 쇼트키 장벽 변조를 위해 선택되었습니다. /알 인터페이스. 이 쇼트키 장벽을 깨끗한 상태에서 관찰된 장벽과 비교했습니다(표 1). NO₂에 대해 이론적으로 계산된 장벽 높이 및 NH₃ 각각 0.16 및 0.13 eV였습니다. 이 결과는 NO₂ 및 NH₃ 서로 다른 방향으로 전하 이동을 유도합니다. 쇼트키 장벽은 NO₂의 영향을 더 많이 받았습니다. NH₃보다 . 이러한 결과는 실험 결과와 일치하였다. 결과는 또한 MoS₂ 쇼트키 다이오드는 차세대 가스 감지 장치에 사용될 가능성이 큽니다.

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아 MoS₂의 개략도 시뮬레이션에 사용된 기체 분자. ㄴ , ㄷ MoS₂의 저항 변화 NO_{x 시 쇼트키 다이오드} 및 NH₃ 각각 노출. d MoS₂의 이론적으로 계산된 SBH 주변 및 가스 노출 조건에서 /금속 인터페이스(NO, NO₂ , NH₃ )

결론

이 연구에서 우리는 MoS₂의 특성에 대한 접촉 재료의 영향을 조사했습니다. 주변 및 가스 노출 조건에서 비대칭 FET. KPFM 결과는 Pt가 가장 높은 일함수를 갖고 MoS₂가 그 뒤를 이었습니다. 그리고 알. DFT 결과는 MoS₂의 SBH가 /metal 계면은 일함수가 높은 금속이 더 높았다. 이것은 이 연구에서 제작된 대칭(Al-Al 및 Pt-Pt) 및 비대칭(Al-Pt) FET에 대해 얻은 실험 결과와 일치합니다. NO_{x의 흡수} 결과적으로 강한 가스 응답과 장치의 저항이 증가했습니다. NH₃의 경우 반대 경향이 관찰되었습니다. . 이러한 결과는 이론적으로 계산된 SBH 값과 일치했습니다. 이 연구는 MoS₂ 개발을 위한 적절한 금속 접점 선택의 중요성을 강조합니다. 원하는 성능의 가스 센서.