최근 나노기술의 비약적인 발전과 함께 다양한 저차원 나노구조체들이 합성되기 시작하면서 이들을 이용한 각 분야의 나노기술에도 큰 변화를 가져왔다. 저차원 나노구조체들은 벌크(Bulk) 상태의 물질과 현저하게 구분되는 특징을 갖는데 그 중에서도 구조물의 크기가 부피 대 표면적 비가 큰 공통점을 갖는다. 이 같은 저 차원 나노구조체의 특징은 나노구조체를 이용한 화학적/생물학 검출 장치, 즉 센서를 개발하는데 가장 잘 이용될 수 있을 것으로 예견되며 외부 환경에 매우 민감하게 반응하여 고감도의 측정을 가능하게 한다는 장점 이외에도, 측정에 걸리는 시간이 짧고, 동작에 필요한 에너지 소비가 적으며 다양한 종류의 소자를 집적하고 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 고감도 센서를 제작하기 위해 탄소나노튜브와 여러 나노선을 이용하여 센서응용에 대한 실험을 진행하였다. 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 응용에서는 제작된 소자에 특정 금속을 쇼트키 (Schottky) 접합에 코팅하거나 채널에 코팅하여 금속과 반도체의 접합의 쇼트키 장벽을 조절하고 이렇게 조절된 쇼트키 센서에서 ...
최근 나노기술의 비약적인 발전과 함께 다양한 저차원 나노구조체들이 합성되기 시작하면서 이들을 이용한 각 분야의 나노기술에도 큰 변화를 가져왔다. 저차원 나노구조체들은 벌크(Bulk) 상태의 물질과 현저하게 구분되는 특징을 갖는데 그 중에서도 구조물의 크기가 부피 대 표면적 비가 큰 공통점을 갖는다. 이 같은 저 차원 나노구조체의 특징은 나노구조체를 이용한 화학적/생물학 검출 장치, 즉 센서를 개발하는데 가장 잘 이용될 수 있을 것으로 예견되며 외부 환경에 매우 민감하게 반응하여 고감도의 측정을 가능하게 한다는 장점 이외에도, 측정에 걸리는 시간이 짧고, 동작에 필요한 에너지 소비가 적으며 다양한 종류의 소자를 집적하고 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 고감도 센서를 제작하기 위해 탄소나노튜브와 여러 나노선을 이용하여 센서응용에 대한 실험을 진행하였다. 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 응용에서는 제작된 소자에 특정 금속을 쇼트키 (Schottky) 접합에 코팅하거나 채널에 코팅하여 금속과 반도체의 접합의 쇼트키 장벽을 조절하고 이렇게 조절된 쇼트키 센서에서 민감도가 증가하는 것을 발견하였다. 특히 알루미늄(Al) 나노입자를 코팅한 가스센서에서는 민감도가 1000 % 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 수소에 반응성을 보이지 않던 소자에 팔라듐(Pd) 입자의 코팅을 통하여 수소가스에 선택성을 보이는 수소센서를 제작하였다. 또한 센서 특성에 영향을 미치는 쇼트키 접합을 인위적으로 조절 유도하기 위해 분자의 자기조립을 이용하였다. 금으로 제작된 소자의 금속 전극에 금에 반응성이 좋은 싸이올기(SH)가 달린 분자를 이용하여 자기조립을 유도하고, 이와 같은 분자의 자기조립층 형성이 금속의 일함수에 영향을 미치는 것을 전자구조 계산 및 전기적 특성의 변화를 통하여 확인하였다. 보통 p-형 특성을 보이는 SWNT의 소스 (드레인) 전극에 자기조립층을 형성하였을 때, 금속의 일함수를 선택적으로 조절할 수 있었으며 이를 이용하여 탄소나노튜브 쇼트기 다이오드를 제작하였다. 나노선을 이용한 연구에서는 GaP, ZnO 와 PANI와 같은 III-V족과 II-VI족 반도체 물질과 전도성 폴리머(conducting polymer)를 사용하여 소자를 제작하고 전기적 특성 및 센서 반응을 연구하였다. 그 중 생촉매를 이용하여 합성된 PANI 나노선 소자는 산을 이용하여 도핑 상태를 조절, 전기적 특성을 변화시킬 수 있었으며, 암모니아 가스에 대해 매우 우수한 감도를 나타냄을 확인하였다. GaP 나노선 소자는 일반적으로 가스 입자에 반응을 보이지 않지만, GaP 나노선 소자에 Pd 나노입자를 코팅하였을 때, NO₂와 NH₃그리고 H2NO₂에 민감한 가스 센서를 제작할 수 있었다. 또한 ZnO 나노선에서는 진공에 따라서 전기적 특성이 달라지는 것을 이용하여 습도센서의 가능성을 확인할 수 있었다. 바이오 센서 응용 분야에서는 SWNT 소자를 이용한 전기적 방식의 센서 연구를 진행하였다. 특히, 탄소 나노튜브 소자의 채널에 금 입자를 코팅하여 이를 DNA 를 검출할 수 있는 센서로 사용될 수 있음을 관측하였다. 금 나노입자는 전기화학적인 방법과 물리적인 방법을 이용하여 코팅하였으며, 이는 전기적 특성의 변화로 측정되었다. 이와 같은 Au-SWNT-FET 센서에 싸이올 기를 가진 프로브(probe) DNA를 고정화하고, 이들 프로브 DNA 가 타겟 DNA 와 상보적으로 결합할 때 생기는 전기적 특성의 변화를 측정하는데 성공하였다. 저차원의 탄소나노튜브와 나노선을 이용하여 실온에서 작동하는 화학센서 및 바이오 센서를 제작할 수 있었고 기존에 제작 판매되는 여러 센서에서 볼 수 없었던 우수한 센서 특성을 확인할 수 있었다. 또한 탄소 나노튜브와 나노선의 표면 개질과 쇼트키 접합을 조절하여 센서의 민감도를 증가 시킬 수 있었으며 바이오 물질의 고정화를 통해 바이오 센서응용 가능성을 확인할 수 있었다. 하지만 전기적 방식의 센서연구에서 아직도 많은 분분에서 많은 연구가 필요함을 재 확인할 수 있었다. 앞으로 나노구조체의 조절과 특성제어에 대한 계속적인 연구가 필요하며 제작된 전기적 방식의 센서의 안정성과 적합성에 대한 연구가 꾸준히 진행되어야 할 것이라고 생각 된다.
최근 나노기술의 비약적인 발전과 함께 다양한 저차원 나노구조체들이 합성되기 시작하면서 이들을 이용한 각 분야의 나노기술에도 큰 변화를 가져왔다. 저차원 나노구조체들은 벌크(Bulk) 상태의 물질과 현저하게 구분되는 특징을 갖는데 그 중에서도 구조물의 크기가 부피 대 표면적 비가 큰 공통점을 갖는다. 이 같은 저 차원 나노구조체의 특징은 나노구조체를 이용한 화학적/생물학 검출 장치, 즉 센서를 개발하는데 가장 잘 이용될 수 있을 것으로 예견되며 외부 환경에 매우 민감하게 반응하여 고감도의 측정을 가능하게 한다는 장점 이외에도, 측정에 걸리는 시간이 짧고, 동작에 필요한 에너지 소비가 적으며 다양한 종류의 소자를 집적하고 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 고감도 센서를 제작하기 위해 탄소나노튜브와 여러 나노선을 이용하여 센서응용에 대한 실험을 진행하였다. 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 응용에서는 제작된 소자에 특정 금속을 쇼트키 (Schottky) 접합에 코팅하거나 채널에 코팅하여 금속과 반도체의 접합의 쇼트키 장벽을 조절하고 이렇게 조절된 쇼트키 센서에서 민감도가 증가하는 것을 발견하였다. 특히 알루미늄(Al) 나노입자를 코팅한 가스센서에서는 민감도가 1000 % 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 수소에 반응성을 보이지 않던 소자에 팔라듐(Pd) 입자의 코팅을 통하여 수소가스에 선택성을 보이는 수소센서를 제작하였다. 또한 센서 특성에 영향을 미치는 쇼트키 접합을 인위적으로 조절 유도하기 위해 분자의 자기조립을 이용하였다. 금으로 제작된 소자의 금속 전극에 금에 반응성이 좋은 싸이올기(SH)가 달린 분자를 이용하여 자기조립을 유도하고, 이와 같은 분자의 자기조립층 형성이 금속의 일함수에 영향을 미치는 것을 전자구조 계산 및 전기적 특성의 변화를 통하여 확인하였다. 보통 p-형 특성을 보이는 SWNT의 소스 (드레인) 전극에 자기조립층을 형성하였을 때, 금속의 일함수를 선택적으로 조절할 수 있었으며 이를 이용하여 탄소나노튜브 쇼트기 다이오드를 제작하였다. 나노선을 이용한 연구에서는 GaP, ZnO 와 PANI와 같은 III-V족과 II-VI족 반도체 물질과 전도성 폴리머(conducting polymer)를 사용하여 소자를 제작하고 전기적 특성 및 센서 반응을 연구하였다. 그 중 생촉매를 이용하여 합성된 PANI 나노선 소자는 산을 이용하여 도핑 상태를 조절, 전기적 특성을 변화시킬 수 있었으며, 암모니아 가스에 대해 매우 우수한 감도를 나타냄을 확인하였다. GaP 나노선 소자는 일반적으로 가스 입자에 반응을 보이지 않지만, GaP 나노선 소자에 Pd 나노입자를 코팅하였을 때, NO₂와 NH₃그리고 H2NO₂에 민감한 가스 센서를 제작할 수 있었다. 또한 ZnO 나노선에서는 진공에 따라서 전기적 특성이 달라지는 것을 이용하여 습도센서의 가능성을 확인할 수 있었다. 바이오 센서 응용 분야에서는 SWNT 소자를 이용한 전기적 방식의 센서 연구를 진행하였다. 특히, 탄소 나노튜브 소자의 채널에 금 입자를 코팅하여 이를 DNA 를 검출할 수 있는 센서로 사용될 수 있음을 관측하였다. 금 나노입자는 전기화학적인 방법과 물리적인 방법을 이용하여 코팅하였으며, 이는 전기적 특성의 변화로 측정되었다. 이와 같은 Au-SWNT-FET 센서에 싸이올 기를 가진 프로브(probe) DNA를 고정화하고, 이들 프로브 DNA 가 타겟 DNA 와 상보적으로 결합할 때 생기는 전기적 특성의 변화를 측정하는데 성공하였다. 저차원의 탄소나노튜브와 나노선을 이용하여 실온에서 작동하는 화학센서 및 바이오 센서를 제작할 수 있었고 기존에 제작 판매되는 여러 센서에서 볼 수 없었던 우수한 센서 특성을 확인할 수 있었다. 또한 탄소 나노튜브와 나노선의 표면 개질과 쇼트키 접합을 조절하여 센서의 민감도를 증가 시킬 수 있었으며 바이오 물질의 고정화를 통해 바이오 센서응용 가능성을 확인할 수 있었다. 하지만 전기적 방식의 센서연구에서 아직도 많은 분분에서 많은 연구가 필요함을 재 확인할 수 있었다. 앞으로 나노구조체의 조절과 특성제어에 대한 계속적인 연구가 필요하며 제작된 전기적 방식의 센서의 안정성과 적합성에 대한 연구가 꾸준히 진행되어야 할 것이라고 생각 된다.
Devices fabricated with one-dimensional nanostructures such as carbon nanotubes and semiconductor nanowires have shown to be a promising material for highly sensitive sensors. They offer the excellent sensitivity, rapid response time, and do not require labeling. Carbon nanotube and nanowires, with ...
Devices fabricated with one-dimensional nanostructures such as carbon nanotubes and semiconductor nanowires have shown to be a promising material for highly sensitive sensors. They offer the excellent sensitivity, rapid response time, and do not require labeling. Carbon nanotube and nanowires, with a large surface-to-volume ratio, as well as remarkable electrical properties and the interesting relationship between their geometric structure and electronic properties, is a strong candidate for sensor application. In this study, we have fabricated devices using carbon nanotubes and nanowires, and investigated the possibility of using them chemical/biosensor materials. Chapter 1 is a brief introduction to carbon nanotubes and nanowires, and advantages of nanostructured materials in sensing. In Chapter 2, we fabricated single-walled carbon nanotube field effect transistors, and investigated the effect of metal nanoparticles decoration on their gas sensing capabilities. By coating the carbon nanotube with Pd nanoparticles, we could develop sensors that exhibited a reasonable sensitivity toward H2 gas. The transfer characteristics of the device showed Schottky behavior with the Al-coated SWNT-FETs, and the current passing through the nanotube was found to decrease. However, the sensitivity toward both NO2 and NH3 is greatly enhanced by the Al nanoparticles decoration. We suggest that the metal-particle decoration could be exploited to tailor either the transfer characteristics of nanoscale devices, or to tune the sensitivity of nanotube-based chemical and biological nanosensors. And we present an approach to use individual GaP, ZnO nanowire and PANI (Polyanilin) nanofibre as chemical sensors working at room temperature. These devices exhibited significantly improved chemical sensing performance compared to existing solid-sate sensors in many aspects such as the sensitivity, response time, and working temperature. Among them, PAIN nanofibres synthesized with biocatalyst show highly sensitive NH3 gas response. While we could achieve GaP nanowire sensors that are sensitive toward NH3, NO2 and H2 by Pd nanoparticles decorations. Also, bare ZnO nanowire devices show delicate changes of conductance with vacuum condition. Then, humidity can be sensed using this mechanism by observing the changes of conductance. In Chapter 3, we demonstrate the Au-cluster decorated single wall carbon nanotubes (SWNT) as effective biosensor platforms. Nanoscale Au clusters was formed on the side walls of carbon nanotubes in transistor geometry by using electroless deposition, electrochemical deposition and simple physical evaporation techniques. The effect of Au cluster decoration appears as a hole dopant in electrical transport characteristics regardless of the decoration method. Thiolated single stranded probe DNAs were successfully immobilized on Au clusters decorated single-walled carbon nanotube field effect transistors (SWNT-FET), and this appeared as a decrease in conductance that could be explained by the decrease of Au work function upon adsorption of thiolated DNA oligomers. While a target ssDNA with a single mismatch does not give any change in electrical conductance, clear increase of conductance observed with matching ssDNA, thereby showing the possibility of SNP (single nucleotide polymorphism) detection using Au-cluster decorated SWNT-FETs. Finally, in Chapter 4 we discuss the present and the future of electrical nanosensors fabricated with one-dimensional nanostructures.
Devices fabricated with one-dimensional nanostructures such as carbon nanotubes and semiconductor nanowires have shown to be a promising material for highly sensitive sensors. They offer the excellent sensitivity, rapid response time, and do not require labeling. Carbon nanotube and nanowires, with a large surface-to-volume ratio, as well as remarkable electrical properties and the interesting relationship between their geometric structure and electronic properties, is a strong candidate for sensor application. In this study, we have fabricated devices using carbon nanotubes and nanowires, and investigated the possibility of using them chemical/biosensor materials. Chapter 1 is a brief introduction to carbon nanotubes and nanowires, and advantages of nanostructured materials in sensing. In Chapter 2, we fabricated single-walled carbon nanotube field effect transistors, and investigated the effect of metal nanoparticles decoration on their gas sensing capabilities. By coating the carbon nanotube with Pd nanoparticles, we could develop sensors that exhibited a reasonable sensitivity toward H2 gas. The transfer characteristics of the device showed Schottky behavior with the Al-coated SWNT-FETs, and the current passing through the nanotube was found to decrease. However, the sensitivity toward both NO2 and NH3 is greatly enhanced by the Al nanoparticles decoration. We suggest that the metal-particle decoration could be exploited to tailor either the transfer characteristics of nanoscale devices, or to tune the sensitivity of nanotube-based chemical and biological nanosensors. And we present an approach to use individual GaP, ZnO nanowire and PANI (Polyanilin) nanofibre as chemical sensors working at room temperature. These devices exhibited significantly improved chemical sensing performance compared to existing solid-sate sensors in many aspects such as the sensitivity, response time, and working temperature. Among them, PAIN nanofibres synthesized with biocatalyst show highly sensitive NH3 gas response. While we could achieve GaP nanowire sensors that are sensitive toward NH3, NO2 and H2 by Pd nanoparticles decorations. Also, bare ZnO nanowire devices show delicate changes of conductance with vacuum condition. Then, humidity can be sensed using this mechanism by observing the changes of conductance. In Chapter 3, we demonstrate the Au-cluster decorated single wall carbon nanotubes (SWNT) as effective biosensor platforms. Nanoscale Au clusters was formed on the side walls of carbon nanotubes in transistor geometry by using electroless deposition, electrochemical deposition and simple physical evaporation techniques. The effect of Au cluster decoration appears as a hole dopant in electrical transport characteristics regardless of the decoration method. Thiolated single stranded probe DNAs were successfully immobilized on Au clusters decorated single-walled carbon nanotube field effect transistors (SWNT-FET), and this appeared as a decrease in conductance that could be explained by the decrease of Au work function upon adsorption of thiolated DNA oligomers. While a target ssDNA with a single mismatch does not give any change in electrical conductance, clear increase of conductance observed with matching ssDNA, thereby showing the possibility of SNP (single nucleotide polymorphism) detection using Au-cluster decorated SWNT-FETs. Finally, in Chapter 4 we discuss the present and the future of electrical nanosensors fabricated with one-dimensional nanostructures.
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