Hydrogen sulfide($H_2S$) is a highly toxic gas that paralyzes the olfactory nerves, but it occurs in many industries. Therefore, it is important to detect the $H_2S$ gas from ppb to ppm level for industrial and safety applications. In this study, the high-resolution $SnO_2$ nanopattern with ultra-small grain size (<15 nm) and high aspect ratio (>20) was made by our unique top-down lithography technique. This $SnO_2$ nanopattern exhibited remarkable sensitivity from 50 ppb to 50 ppm ($R_a/R_g$=116.62, $\tau_{res}$ = 31 s at 0.5 ppm) along with excellent selectivity. Also, without additional processing, this lithography could add any dopants to nanostructure, inducing sensitization effect. Especially, the sensitivity of $H_2S$ was enhanced in NiO-$SnO_2$ ($R_a/R_g$ = 166.2, $\tau_{res}$ = 21 s at 0.5 ppm) due to p-n heterojunction. In addition, the sensitivity of 5 ppm $NO_2$ was improved in NiO-$SnO_2$ ($R_g/R_a$=190.59) compared to $SnO_2$ ($R_g/R_a$=8.72), shown as a dual switching material applicable to both $H_2S$ and $NO_2$ gases. Therefore, this study was able to control the materials involved in the sensitivity and selectivity of the sensor, and confirmed the commercialization potential of the sensor of high-resolution nanopatterns through unique top-down lithography.
황화수소 ($H_2S$) 가스는 많은 산업에서 배출되고 있지만, 후각 신경을 마비시키는 고독성 가스이다. 따라서 산업과 안전을 위해 ppb에서 ppm 수준까지 $H_2S$ 가스를 감지하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 하향식 리소그래피 기술을 이용하여 굉장히 작은 입자 크기 (<15 nm)와 고종횡비 (> 20)를 가지는 고해상도 $SnO_2$ 나노 패턴을 제작하였다. 이 $SnO_2$ 나노 패턴은 50 ppb에서 50 ppm까지 뛰어난 민감도와 선택성을 보여주었다 ($R_a/R_g$ = 116.62, $\tau_{res}$ = 31 s). 또한, 이 리소그래피는 추가 공정 없이도 도펀트를 나노 구조체에 첨가할 수 있어 감작 효과를 유도할 수 있다. 특히, NiO-$SnO_2$ 나노 패턴은 p-n 이종 접합으로 $H_2S$의 감도가 $SnO_2$ 나노 패턴보다 향상되었다 ($R_a/R_g$ = 166.2, 0.5 ppm에서 $\tau_{res}$ = 21 s). 또, 5 ppm $NO_2$의 감도는 $SnO_2$ ($R_g/R_a$ = 8.72)와 비교하여 NiO-$SnO_2$ ($R_g/R_a$ = 190.59)에서 향상되어, $H_2S$와 $NO_2$ 두 가스 모두 센싱 가능한 결과를 보였다. 따라서 본 연구를 통해 센서의 민감성과 선택성에 관여하는 물질들을 제어하고, 하향식 리소그래피를 통해 고해상도 나노 구조체의 센서의 가능성을 확인할 수 있었다.