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정전용량형 센서는 압력, 제스처, 습도, 빛 및 화학물질을 포함한 다양한 기계적 및 화학적 특성을 감지하는 데 큰 관심을 받았다. 정전용량형 센서의 감지 메커니즘은 에너지 효율적이고 높은 선택성과 민감한 작동을 가능케 한다. 
저차원 물질은 고유한 전기적, 광학적, 기계적 특성으로 인해 화학 센서의 감지층으로 유망하다. 특히 저차원 물질은 표면 대 체적비와 캐리어 이동도가 높기 때문에 낮은 1/f 노이즈로 화학 물질에 민감하게 반응할 수 있다. 새로운 와이드 밴드갭 물질인 베타-갈륨 산화물(β-Ga2O3) 역시 ~4.9 eV의 직접 에너지 밴드갭과 뛰어난 화학적, 열적 안정성으로 인해 다양한 전력소자에 활용되고 있다. 무엇보다 β-Ga2O3는 극 자외선에 대해 우수한 광반응을 보이므로 극자외선 센서의 감응층으로 적합하다. 그러나 저차원 물질과 β-Ga2O3를 기반으로 한 화학 및 광전자 센서에 대한 대부분의 연구는 저항형 센서에 국한되어 있다.
본 연구는 새로운 센싱 물질을 도입한 정전용량형 센서를 개발함으로써 에너지 효율적인 차세대 소형 센서를 구현하고자 시작되었다. 2차원(2D) 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 및 탄소 나노 튜브(CNT), β-Ga2O3를 포함한 저차원 재료를 도입하여 고성능 정전용량 화학 및 광전자 센서를 제안하였다.
먼저, 2차원(2D) 텅스텐 디셀레나이드(WSe2) 기반 정전용량형 화학 센서를 제작하였다. 2D WSe2와 평행구조 커패시터를 통합하여 NO2 가스를 우수한 성능으로 감지할 수 있었다. 제작된 센서는 200 ppm NO2에 대해 ~65%의 정전용량 변화와 높은 재현성을 보였다.
단일벽 탄소 나노 튜브(SW-CNT)에 수용체를 코팅하여 디메틸 메틸포스포네이트(DMMP) 가스를 선택적으로 감지하는 정전용량형 화학 센서를 제작하였다. DMMP 분자와 강하게 결합할 수 있는 수용체는 SW-CNT 기반 정전용량형 센서의 감지 특성을 향상시켜 25ppm의 DMMP를 감지를 가능케 하였다.
마지막으로 β-Ga2O3와 그래핀 층을 통합하여 정전용량형 극 자외선 센서를 제안하였다. UV-C 영역의 극 자외선이 조사될 때 그래핀 층 아래의 공핍 영역이 저항성 채널로 변환됨에 따라 광센서의 정전용량 선택적으로 감소했다. 다양한 주파수 및 교류 전압 조건에서 재현성 및 파장 선택성을 가지며 53.3 μW의 낮은 전력소모를 보임을 확인하였다.
이러한 연구는 고성능 정전용량 센서 개발의 기반을 마련하고, 화학 및 광센서의 감지층으로 저차원 물질 및 β-Ga2O3의 잠재력을 확대할 것으로 기대된다.


Capacitive sensors have received great attention for detection of different mechanical and chemical properties, including pressure, gesture, humidity, lights, and chemical species. Compared to other sensing mechanisms, the capacitive sensing allows energy efficient, highly selective,and sensitive operation with simple operation principle. Therefore, it is important to develop a high-performance capacitive sensor by introducing novel sensing materials to achieve next-generation compact and energy-efficient sensors. 
Low-dimensional materials are most promising candidates for sensing layer of chemical sensors because of their unique electrical, optical, and mechanical properties. In particular, low-dimensional materials shows high surface to volume ratio as well as high carrier mobility, which enable highly sensitive response to chemicals with low 1/f noise. Beta-gallium oxide (β-Ga2O3), a novel ultra-wide band gap (UWBG) material, also attracts interest because of the direct energy band gap of ~4.9 eV and its excellent chemical thermal stabilities. Those outstanding properties allow β-Ga2O3 as a promising candidate for practical optoelectronic devices. However, most of  researches on chemical and optoelectronic sensors based on low-dimensional materials and β-Ga2O3 have only focused on resistive type semiconductor sensors.
In this thesis, high performance capacitive chemical and optoelectronic sensors are proposed by introducing low-dimensional materials, including two-dimensional (2D) tungsten diselenides (WSe2) and carbon nanotube (CNT), and β-Ga2O3.
First, two-dimensional (2D) tungsten diselenides (WSe2) based capacitive chemical sensors were fabricated. The integration of 2D WSe2 and parallel-plate capacitors resulted in excellent sensing performance towards NO2 gas exposure. The fabricated sensor shows capacitance change of ~65 % towards 200 ppm NO2 as well as high reproducibility.
Second, capacitive chemical sensor, which selectively detects dimethyl methyl phosphonate (DMMP), was demonstrated by using single-walled CNTs (SW-CNT) coated with receptors. The receptor, which can strongly bind with DMMP molecules, enhanced sensing properties of SW-CNT based chemicapacitive sensor, which eventually enabled to detect 25 ppm of DMMP.  
Lastly, capacitive solar-blind photodetectors were suggested by integrating an β-Ga2O3 with UV-transparent graphene layer. The capacitance of photodetectors selectively decreased under UV-C light illumination as the depletion region under graphene layer is converted to resistive channel. Excellent photoresponses, including reproductivity and spectral selectivity at various frequencies and bias conditions, were observed with low power consumption of 53.3 μW.
These investigations pave the way for the development of capacitive sensors with high performances and are expected to expand the potential of low-dimensional materials and β-Ga2O3 as a sensing layer of chemical and optoelectronic sensors.

Abstract	i
Contents	iv
List of figures	vii
List of tables	xiii
Chapter 1. Introduction	1
1.1 Motivation	1
1.2 Literature survey	7
1.2.1 Capacitive chemical sensors	7
1.2.2 Capacitive photodetectors	15
1.3 Outline	18
Chapter 2. Theoretical background	20
2.1 Low-dimensional materials	20
2.1.1 WSe2	20
2.1.2 CNT	25
2.2 β-Ga2O3	28
2.3 Semiconductor devices	33
2.3.1 Schottky diode	33
2.3.2 Metal-insulator-semiconductor capacitor	38
2.4 Chemical sensors	43
2.5 Solar-blind photodetectors	47
Chapter 3. Capacitive chemical sensors based on two-dimensional WSe2	50
3.1 Introduction	50
3.2 Experimental details	52
3.3 Results and discussion	54
3.4 Conclusion	67
Chapter 4. Capacitive DMMP sensors based on receptor-coated single walled carbon nanotubes (SW-CNTs)	68
4.1 Introduction	68
4.2 Experimental details	70
4.3 Results and discussion	74
4.4 Conclusion	92
Chapter 5. Capacitive β-gallium oxide solar-blind photodetector with graphene electrode	93
5.1 Introduction	93
5.2 Experimental details	95
5.3 Results and discussion	98
5.4 Conclusion	116
Chapter 6. Future work	117
Chapter 7. Conclusion	118
Reference 	120