P형 금속 산화물 반도체가 가스용 촉매제, 센서, 기능성 재료, 태양전지를 포함한 많은 애플리케이션에서의 중요한 역할들로 인하여 최근 과학과 기술의 발전에 중요한 역할을 하였다는 것은 의심할 여지가 없다. 가스 검출 목적으로 p형 나노 물질기반 고상 센서는 n형 나노물질과 비교하여 더 낮은 온도에서 동작할 수 있다. 게다가 n형 물질의 큰 밴드갭은 동작동안 자외선(UV)영역에서만 조정할 수 있는 반면 p형 재료의 낮은 밴드갭은 가시광선의 구현을 허용한다. 이러한 장점들은 장치의 소비 전력을 줄이는 것뿐만 아니라 가연성 가스와 함께 작업하는 동안 예기치 못한 사고를 방하는데 필요하다. 그럼에도 불구하고 합성뿐만 아니라, P형 ...
P형 금속 산화물 반도체가 가스용 촉매제, 센서, 기능성 재료, 태양전지를 포함한 많은 애플리케이션에서의 중요한 역할들로 인하여 최근 과학과 기술의 발전에 중요한 역할을 하였다는 것은 의심할 여지가 없다. 가스 검출 목적으로 p형 나노 물질기반 고상 센서는 n형 나노물질과 비교하여 더 낮은 온도에서 동작할 수 있다. 게다가 n형 물질의 큰 밴드갭은 동작동안 자외선(UV)영역에서만 조정할 수 있는 반면 p형 재료의 낮은 밴드갭은 가시광선의 구현을 허용한다. 이러한 장점들은 장치의 소비 전력을 줄이는 것뿐만 아니라 가연성 가스와 함께 작업하는 동안 예기치 못한 사고를 방하는데 필요하다. 그럼에도 불구하고 합성뿐만 아니라, P형 금속 산화물 나노 물질의 가스 센싱 특성을 특징짓는 여러 문제가 여전히 존재한다. P형 반도체 가스 감지 특성의 가장 큰 문제는 상대적으로 낮은 온도에서의 대상 가스에 대한 약한 감도이다. 이에 일반적인 해결책은 감지 가스를 대상으로 노출 할 수 있는 유효 표면적을 향상시키는 물질 형태를 맞추는 것이다. 지금까지 상향식(Bottom-up)접근 방식은 나노 물질의 형태를 조절하고 제작하는 것으로 자주 고려되었다. 그리고 VLS, VSS 뿐만 아니라, 최근 VQS 기반의 나노물질의 합성 메커니즘은 과학자들로부터 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 그러한 메커니즘은 핵 또는 종자같은 촉매를 캐리어/반응가스 대 원료의 비율을 조절하여 진공 챔버 내에서 수행 될 수 있다. 따라서 박막형성 장치로 잘 알려진 스퍼터링은 더 복잡한 서브 마이크론 구조를 합성하는데 사용 될 수 있다. 산화구리(Cu2O)는 우수한 광학 및 자기 특성 ~2.17 eV의 직접적인 밴드갭 전위를 가진 p형 금속 산화물 반도체이다. 이것은 촉매, 리튬 이온 전지의 양극 재료, 광 전극, 저비용의 태양 전지 및 센서와 같은 많은 분야에서 적용되고 있다. 재료 형태 제작의 관심 때문에 나노와이어 형태, 나노 튜브, 나도 막대, 나노 큐브, 나노플라워 등 다양한 모양의 Cu2O 합성에 대한 많은 연구들이 수행되었다. 스퍼터링에 의해 증착된 Cu2O 박막은 광범위하게 연구되었음에도 불구하고 가스 센싱을 적용한 스퍼터링을 통한 막대같은 구조의 Cu2O 합성에 대한 연구는 아직 미흡한 상태이다. 산화구리와 함께 주석산화물은 2.5 eV ~ 3.0 eV 의 밴드갭을 가진 p형 산화물 반도체이다. 산화주석은 잘 알려진 코팅 물질 및 촉매이고 최근 박막 트랜지스터에 적용되어 왔다. 그러나 SnO의 검출 특성은 여전히 관심의 부족이다. 이 문제에 대한 가장 큰 이유는 고온에서 간접적으로 p형 반도체 가스 특성에 영향을 받는 SnO가 Sn 또는 SnO2로 변하는 상변화(SnO → Sn3O4+Sn → SnO2+Sn)와 관련 될 수 있다. 논문제목 “Cu2O과 SnO 나노 물질의 합성 방법 및 가스 센싱 특징” 은 이러한 문제를 해결하기 위해 제안되었다. 논문의 첫 번째 부분에서 상향식 접근법 및 고체 금속 산화물 반도체의 가스 센싱 특성이 간략하게 개요되었다. 두 번째 부분은, RF마그네트론 스퍼터링에 의해 성장된 Cu2O의 막대와 나무 형태의 서브 마이크론 사이즈의 박막에 관 것이다. 물질의 형태 및 가스 센싱 특성과의 관계를 조사하기 위해 300oC 아래에서 H2S 기체에 노출시켰다. 세부적으로 박막이 성장하는데 기판의 온도, 스퍼터 시간과 산소분압에 근거한 전형적인 스퍼터링 상태에서 금속 구리 타겟으로 유리 기판위의 서브 마이크론 크기의 막대와 나무 형태의 Cu2O을 성장하였다. 100-700 나노미터의 직경과 2-8 마이크로미터 길이의 서브 마이크론 막대를 합성하였다. 스퍼터링 공정시에 Ar/O2 비율로 변조되는 다양한 구리종은 서브 마이크론 막대의 몸체 부분 가지의 형성에 직접적인 영향을 미친다. 투과전자현미경과 원소 맵핑은 금속 구리가 Cu2O 막대 부분의 머리 부분에 존재하고 있는 것을 나타낸다. 이것은 서브 마이크론 크기의 Cu2O의 막대와 나무 모양의 형성 모델을 설명할 수 있다. 세번째 부분에서는, 합성한 물질을 이용한 가스센서에 대한 연구이다. 센서의 특성이 있는 100 oC ~ 300 oC 사이의 온도에서 H2S 감지 특성은 Cu2O 의 나무와 같은 센서가 나머지 샘플과 비교하여 최적의 감도를 나타내었다. Cu2O가 CuS로의 변환이 센서의 감지 메커니즘으로 사료된다. 또한 감지 특성에대한 형태의 영향을 분석한 결과를 조사하였다. 네번째 부분에서, RF마그네트론 스퍼터링법에 의해 SnO 박막의 NH3 센싱 특성을 연구하였다. 여기서는, 100 nm의 두께를 가진 SnO 박막을 유리 기판 상에 증착 하였다. SnO 박막의 표면에는 수나노의 SnO2 얇은 박막이 형성되어 있음을 X선 광전자 분광법에 의해서 알 수 있었다. 공기 및 질소 중 열처리후의 박막의 전기적 특성은 SnO 센서의 작동 조건을 알아보기 위해 조사 되었다. 그 후에 50 oC ~ 200 oC 에서 작동 시 SnO의 NH3 센싱 특성은 p형 반도체 감지 특성을 나타내었다. 이 센서는 NH3에 좋은 감도와 재현성을 나타내었고, 이에 대한 감지 메커니즘이 제안되었다. 마지막 부분에서, SnO 박막의 가시 광선에 의한 가스 감지 특성을 나타내었다. 본 연구에서는 10나노미터 두께의 SnO 박막을 가지는 가스센서를 제조하였다. 100 oC ~ 200 oC의 H2S 그리고 NO2에 대해서는 어두운 상태에서 측정된 센서는 p형에서 150 oC ~ 200 oC 에서 n형으로 변환하는 박막의 전이 가스 감지 동작을 나타내었다. 보라색(λ = 405 nm), 녹색(λ = 510 nm), 그리고 빨간색(λ = 658 nm)에서 센서의 빛반응은 빠르고(2초) 반복적이었다. 흥미롭게도, 센서는 어두운 상태하의 100 oC ~ 200 oC에서의 센서 응답과 비교하면 실온에서 보라색 빛 아래에서 SO2, NO2, H2S 그리고 NH3의 반응이 더 좋았다. 또한, 측정 중에 SnO와 SnO2 사이에서 상 변화는 없었다. 특히 응답 반응 곡선은 매우 가역적이었고, 센서가 감지 할 수 있는 최소한의 H2S의 농도가 5 ppm이다. 결론을 종합하면 스퍼터링법에 의한 Cu2O의 주된 성장 메커니즘은 VLS와 VQS로 설명되어 질 수 있다. 서브 마이크론 크기의 나무형 Cu2O 센서의 감지 성능은 박막 VQS 형태의 센서특성과 비교하여 크게 향상되었다. P형 반도체 SnO의 가스 감지 특성은 200 oC 아래의 작동 온도에서도 측정이 되었다. 더 흥미롭게 실온에서 10 nm SnO 박막의 보라색 빛 유도 가스 감지 성능은 고온 온도에서 측정된 것보다 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.
P형 금속 산화물 반도체가 가스용 촉매제, 센서, 기능성 재료, 태양전지를 포함한 많은 애플리케이션에서의 중요한 역할들로 인하여 최근 과학과 기술의 발전에 중요한 역할을 하였다는 것은 의심할 여지가 없다. 가스 검출 목적으로 p형 나노 물질기반 고상 센서는 n형 나노물질과 비교하여 더 낮은 온도에서 동작할 수 있다. 게다가 n형 물질의 큰 밴드갭은 동작동안 자외선(UV)영역에서만 조정할 수 있는 반면 p형 재료의 낮은 밴드갭은 가시광선의 구현을 허용한다. 이러한 장점들은 장치의 소비 전력을 줄이는 것뿐만 아니라 가연성 가스와 함께 작업하는 동안 예기치 못한 사고를 방하는데 필요하다. 그럼에도 불구하고 합성뿐만 아니라, P형 금속 산화물 나노 물질의 가스 센싱 특성을 특징짓는 여러 문제가 여전히 존재한다. P형 반도체 가스 감지 특성의 가장 큰 문제는 상대적으로 낮은 온도에서의 대상 가스에 대한 약한 감도이다. 이에 일반적인 해결책은 감지 가스를 대상으로 노출 할 수 있는 유효 표면적을 향상시키는 물질 형태를 맞추는 것이다. 지금까지 상향식(Bottom-up)접근 방식은 나노 물질의 형태를 조절하고 제작하는 것으로 자주 고려되었다. 그리고 VLS, VSS 뿐만 아니라, 최근 VQS 기반의 나노물질의 합성 메커니즘은 과학자들로부터 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 그러한 메커니즘은 핵 또는 종자같은 촉매를 캐리어/반응가스 대 원료의 비율을 조절하여 진공 챔버 내에서 수행 될 수 있다. 따라서 박막형성 장치로 잘 알려진 스퍼터링은 더 복잡한 서브 마이크론 구조를 합성하는데 사용 될 수 있다. 산화구리(Cu2O)는 우수한 광학 및 자기 특성 ~2.17 eV의 직접적인 밴드갭 전위를 가진 p형 금속 산화물 반도체이다. 이것은 촉매, 리튬 이온 전지의 양극 재료, 광 전극, 저비용의 태양 전지 및 센서와 같은 많은 분야에서 적용되고 있다. 재료 형태 제작의 관심 때문에 나노와이어 형태, 나노 튜브, 나도 막대, 나노 큐브, 나노플라워 등 다양한 모양의 Cu2O 합성에 대한 많은 연구들이 수행되었다. 스퍼터링에 의해 증착된 Cu2O 박막은 광범위하게 연구되었음에도 불구하고 가스 센싱을 적용한 스퍼터링을 통한 막대같은 구조의 Cu2O 합성에 대한 연구는 아직 미흡한 상태이다. 산화구리와 함께 주석산화물은 2.5 eV ~ 3.0 eV 의 밴드갭을 가진 p형 산화물 반도체이다. 산화주석은 잘 알려진 코팅 물질 및 촉매이고 최근 박막 트랜지스터에 적용되어 왔다. 그러나 SnO의 검출 특성은 여전히 관심의 부족이다. 이 문제에 대한 가장 큰 이유는 고온에서 간접적으로 p형 반도체 가스 특성에 영향을 받는 SnO가 Sn 또는 SnO2로 변하는 상변화(SnO → Sn3O4+Sn → SnO2+Sn)와 관련 될 수 있다. 논문제목 “Cu2O과 SnO 나노 물질의 합성 방법 및 가스 센싱 특징” 은 이러한 문제를 해결하기 위해 제안되었다. 논문의 첫 번째 부분에서 상향식 접근법 및 고체 금속 산화물 반도체의 가스 센싱 특성이 간략하게 개요되었다. 두 번째 부분은, RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 성장된 Cu2O의 막대와 나무 형태의 서브 마이크론 사이즈의 박막에 관 것이다. 물질의 형태 및 가스 센싱 특성과의 관계를 조사하기 위해 300oC 아래에서 H2S 기체에 노출시켰다. 세부적으로 박막이 성장하는데 기판의 온도, 스퍼터 시간과 산소분압에 근거한 전형적인 스퍼터링 상태에서 금속 구리 타겟으로 유리 기판위의 서브 마이크론 크기의 막대와 나무 형태의 Cu2O을 성장하였다. 100-700 나노미터의 직경과 2-8 마이크로미터 길이의 서브 마이크론 막대를 합성하였다. 스퍼터링 공정시에 Ar/O2 비율로 변조되는 다양한 구리종은 서브 마이크론 막대의 몸체 부분 가지의 형성에 직접적인 영향을 미친다. 투과전자현미경과 원소 맵핑은 금속 구리가 Cu2O 막대 부분의 머리 부분에 존재하고 있는 것을 나타낸다. 이것은 서브 마이크론 크기의 Cu2O의 막대와 나무 모양의 형성 모델을 설명할 수 있다. 세번째 부분에서는, 합성한 물질을 이용한 가스센서에 대한 연구이다. 센서의 특성이 있는 100 oC ~ 300 oC 사이의 온도에서 H2S 감지 특성은 Cu2O 의 나무와 같은 센서가 나머지 샘플과 비교하여 최적의 감도를 나타내었다. Cu2O가 CuS로의 변환이 센서의 감지 메커니즘으로 사료된다. 또한 감지 특성에대한 형태의 영향을 분석한 결과를 조사하였다. 네번째 부분에서, RF마그네트론 스퍼터링법에 의해 SnO 박막의 NH3 센싱 특성을 연구하였다. 여기서는, 100 nm의 두께를 가진 SnO 박막을 유리 기판 상에 증착 하였다. SnO 박막의 표면에는 수나노의 SnO2 얇은 박막이 형성되어 있음을 X선 광전자 분광법에 의해서 알 수 있었다. 공기 및 질소 중 열처리후의 박막의 전기적 특성은 SnO 센서의 작동 조건을 알아보기 위해 조사 되었다. 그 후에 50 oC ~ 200 oC 에서 작동 시 SnO의 NH3 센싱 특성은 p형 반도체 감지 특성을 나타내었다. 이 센서는 NH3에 좋은 감도와 재현성을 나타내었고, 이에 대한 감지 메커니즘이 제안되었다. 마지막 부분에서, SnO 박막의 가시 광선에 의한 가스 감지 특성을 나타내었다. 본 연구에서는 10나노미터 두께의 SnO 박막을 가지는 가스센서를 제조하였다. 100 oC ~ 200 oC의 H2S 그리고 NO2에 대해서는 어두운 상태에서 측정된 센서는 p형에서 150 oC ~ 200 oC 에서 n형으로 변환하는 박막의 전이 가스 감지 동작을 나타내었다. 보라색(λ = 405 nm), 녹색(λ = 510 nm), 그리고 빨간색(λ = 658 nm)에서 센서의 빛반응은 빠르고(2초) 반복적이었다. 흥미롭게도, 센서는 어두운 상태하의 100 oC ~ 200 oC에서의 센서 응답과 비교하면 실온에서 보라색 빛 아래에서 SO2, NO2, H2S 그리고 NH3의 반응이 더 좋았다. 또한, 측정 중에 SnO와 SnO2 사이에서 상 변화는 없었다. 특히 응답 반응 곡선은 매우 가역적이었고, 센서가 감지 할 수 있는 최소한의 H2S의 농도가 5 ppm이다. 결론을 종합하면 스퍼터링법에 의한 Cu2O의 주된 성장 메커니즘은 VLS와 VQS로 설명되어 질 수 있다. 서브 마이크론 크기의 나무형 Cu2O 센서의 감지 성능은 박막 VQS 형태의 센서특성과 비교하여 크게 향상되었다. P형 반도체 SnO의 가스 감지 특성은 200 oC 아래의 작동 온도에서도 측정이 되었다. 더 흥미롭게 실온에서 10 nm SnO 박막의 보라색 빛 유도 가스 감지 성능은 고온 온도에서 측정된 것보다 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.
There is no doubt that p-type metal oxide semiconductors have been playing a vital role in the development of science and technology in recent years because of their crucial role in many applications including catalysts, sensors, functional materials, solar cells, etc. For gas sensing purpose, solid...
There is no doubt that p-type metal oxide semiconductors have been playing a vital role in the development of science and technology in recent years because of their crucial role in many applications including catalysts, sensors, functional materials, solar cells, etc. For gas sensing purpose, solid state sensors based p-type nanomaterials can operate at lower temperature comparing with n-type nanomaterials. In addition, low band gaps of p-type materials allow the implementation visible light while the large bandgap of n-type materials can only tuned in the ultra violet (UV) range during the operation. These advantages are not only important to reduce the power consumption of the device, but also necessary to prohibits unexpected accidences while working with combustible gases. Nevertheless, there are still several issues in synthesizing as well as characterizing gas sensing properties of a p-type metal oxide nanomaterials. The main problem of p-type semiconducting gas sensing properties is the weak sensitivity toward target gases at relatively low temperature. Typical solution for this is tailoring the material morphology to enhance the effective surface area which is able to expose to target gas during the operation. Up to this moment, bottom-up approach is frequently considered to fabricate and modulate the morphology of nanomaterials. In addition, syntheses of nanomaterials based vapor-liquid-solid (VLS), vapor-solid-solid (VSS) and recently vapor-quasiliquid-solid (VQS) mechanism are attracting much attention from scientists. Generally, those mechanism require catalyst as nuclei or seeds and can be carried out in a vacuum chamber with streams of source material versus carrier/reaction gases. Therefore, sputtering, which is well known as the thin film deposition system can be used to synthesize more complex submicron structures. Cuprous oxide (Cu2O) is a potential p-type metal-oxide semiconductor with a direct bandgap of ~2.17 eV with excellent optical and magnetic properties. It has been applied in many fields, like catalysis, lithium-ion battery-anode materials, photo-electrodes, low-cost solar cells and sensors. Due to the interests of tailoring material morphologies, many studies have carried out syntheses of Cu2O in form of nanowires, nanotubes, nanorods, nanocubes, nanoflowers, and a variety of shapes. Although Cu2O thin films deposited by sputtering were extensively studied, studies about the synthesis of Cu2O rod-like structure via sputtering route applying for gas sensors is still missing. Along with cuprous oxide, stannous oxide is a p-type metal oxide semiconductor with a band gap ranging from 2.5 eV to 3 eV. SnO is a well-known coating material and catalyst, and has recently been applied to thin film transistors. However, sensing properties of stannous oxide is still lack of concern. Main reason for this problem may relate to the disproportion of SnO to Sn and SnO2 (SnO -> Sn3O4 + Sn -> SnO2 + Sn) at elevated temperatures which is indirectly affected to the p-type semiconducting gas sensing properties. Study entitled “Syntheses and gas sensing properties of Cu2O and SnO nanomaterials” is proposed to solve these issues. On the first part of the dissertation, strategy of nanomaterial synthesis by bottom-up approach and gas sensing properties of solid-state metal oxide semiconductor were briefly overviewed. On the second part, thin film, submicron-sized rods and trees of Cu2O were grown by RF magnetron sputtering. In specific, typical sputtering conditions based on substrate temperature, sputtering time and oxygen partial pressure to grow thin film, submicron-sized rods and trees of Cu2O on glass substrates from metallic Cu targets were investigated. The submicron-rods with diameters of 100?700 nm and lengths of 2?8 μm were synthesized. The abundance of Cu species, which is modulated by the Ar/O2 ratio during the sputtering process affect directly to the growths of the Cu2O branches on the bodies of the submicron-rods. Transmission electron microscopy and elemental mapping reveal that metallic Cu are existed on the heads of the Cu2O rods. The formation model of the submicron-sized rods and trees of Cu2O is discussed. On the third part, the obtained samples are used to fabricate gas sensors. The H2S-sensing properties of the sensors at working temperatures from 100 oC to 300 oC are studied, in which the Cu2O tree-like sensor performed the best sensitivity comparing with that of the rest samples. A transformation from Cu2O to CuS is considered as the sensing mechanism of the sensors. Besides, influences of the morphologies onto the sensing properties are analyzed and compared. On the fourth part, NH3 sensing properties of SnO thin film by RF magnetron sputtering is introduced. Here, SnO thin films with 100 nm in thickness were deposited on glass substrates. A stack structure of SnO2/SnO, where few nanometers of SnO2 were determined on the SnO thin film by X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, XPS depth profile analysis of the pristine and heat treated thin films were introduced. The electrical behavior of the as-sputtered films during heat treatment in air and nitrogen was recorded to investigate the working conditions for the SnO sensor. Subsequently, The NH3 sensing properties of the SnO sensor at operating temperature of 50?200 oC were examined, in which the p-type semiconducting sensing properties of the thin film were noted. The sensor shows good sensitivity and repeatability to NH3 vapor. A sensing mechanism was proposed and discussed. On the final part, visible light induced gas sensing properties of SnO thin film was discovered and compared with thermal induced gas sensing properties of the as-prepared sample. In this study, 10 nm thin film of SnO sensor was fabricated for the measurement. The device tested with H2S and NO2 at 100?200 oC without light (dark mode) showed a transition gas sensing behavior of the thin film from p-type to n-type at 150 and 200 oC. The purple (λ = 405 nm), green (λ = 510 nm) and red (λ = 658 nm) light response of the sample was fast (2 s) and repeatable. Interestingly, the sensor was better responded to SO2, NO2, H2S and NH3 under purple light at room temperature comparing with the sensor response at 100?200 oC. There was no phase transformation between SnO and SnO2 during the measurement. Especially, the response-recovery curves were highly repeatable and the minimum concentration of H2S which the sensor can detect is 5 ppm. Comprehensive conclusions were made, in which different submicron structures of Cu2O were well tailored by RF magnetron sputtering. VLS and VQS were considered as the main mechanism of the growth. The sensing performance of the submicron-tree Cu2O sensor was enhanced significantly comparing with that of the thin film device. In addition, P-type semiconducting gas sensing properties of SnO was first time recorded at the operating temperature below 200 oC. More interestingly, purple light induced gas sensing performance of 10 nm SnO thin film at room temperature was found to be far more better than that operated at elevated temperature. The involved sensing mechanism was introduced and discussed.
There is no doubt that p-type metal oxide semiconductors have been playing a vital role in the development of science and technology in recent years because of their crucial role in many applications including catalysts, sensors, functional materials, solar cells, etc. For gas sensing purpose, solid state sensors based p-type nanomaterials can operate at lower temperature comparing with n-type nanomaterials. In addition, low band gaps of p-type materials allow the implementation visible light while the large bandgap of n-type materials can only tuned in the ultra violet (UV) range during the operation. These advantages are not only important to reduce the power consumption of the device, but also necessary to prohibits unexpected accidences while working with combustible gases. Nevertheless, there are still several issues in synthesizing as well as characterizing gas sensing properties of a p-type metal oxide nanomaterials. The main problem of p-type semiconducting gas sensing properties is the weak sensitivity toward target gases at relatively low temperature. Typical solution for this is tailoring the material morphology to enhance the effective surface area which is able to expose to target gas during the operation. Up to this moment, bottom-up approach is frequently considered to fabricate and modulate the morphology of nanomaterials. In addition, syntheses of nanomaterials based vapor-liquid-solid (VLS), vapor-solid-solid (VSS) and recently vapor-quasiliquid-solid (VQS) mechanism are attracting much attention from scientists. Generally, those mechanism require catalyst as nuclei or seeds and can be carried out in a vacuum chamber with streams of source material versus carrier/reaction gases. Therefore, sputtering, which is well known as the thin film deposition system can be used to synthesize more complex submicron structures. Cuprous oxide (Cu2O) is a potential p-type metal-oxide semiconductor with a direct bandgap of ~2.17 eV with excellent optical and magnetic properties. It has been applied in many fields, like catalysis, lithium-ion battery-anode materials, photo-electrodes, low-cost solar cells and sensors. Due to the interests of tailoring material morphologies, many studies have carried out syntheses of Cu2O in form of nanowires, nanotubes, nanorods, nanocubes, nanoflowers, and a variety of shapes. Although Cu2O thin films deposited by sputtering were extensively studied, studies about the synthesis of Cu2O rod-like structure via sputtering route applying for gas sensors is still missing. Along with cuprous oxide, stannous oxide is a p-type metal oxide semiconductor with a band gap ranging from 2.5 eV to 3 eV. SnO is a well-known coating material and catalyst, and has recently been applied to thin film transistors. However, sensing properties of stannous oxide is still lack of concern. Main reason for this problem may relate to the disproportion of SnO to Sn and SnO2 (SnO -> Sn3O4 + Sn -> SnO2 + Sn) at elevated temperatures which is indirectly affected to the p-type semiconducting gas sensing properties. Study entitled “Syntheses and gas sensing properties of Cu2O and SnO nanomaterials” is proposed to solve these issues. On the first part of the dissertation, strategy of nanomaterial synthesis by bottom-up approach and gas sensing properties of solid-state metal oxide semiconductor were briefly overviewed. On the second part, thin film, submicron-sized rods and trees of Cu2O were grown by RF magnetron sputtering. In specific, typical sputtering conditions based on substrate temperature, sputtering time and oxygen partial pressure to grow thin film, submicron-sized rods and trees of Cu2O on glass substrates from metallic Cu targets were investigated. The submicron-rods with diameters of 100?700 nm and lengths of 2?8 μm were synthesized. The abundance of Cu species, which is modulated by the Ar/O2 ratio during the sputtering process affect directly to the growths of the Cu2O branches on the bodies of the submicron-rods. Transmission electron microscopy and elemental mapping reveal that metallic Cu are existed on the heads of the Cu2O rods. The formation model of the submicron-sized rods and trees of Cu2O is discussed. On the third part, the obtained samples are used to fabricate gas sensors. The H2S-sensing properties of the sensors at working temperatures from 100 oC to 300 oC are studied, in which the Cu2O tree-like sensor performed the best sensitivity comparing with that of the rest samples. A transformation from Cu2O to CuS is considered as the sensing mechanism of the sensors. Besides, influences of the morphologies onto the sensing properties are analyzed and compared. On the fourth part, NH3 sensing properties of SnO thin film by RF magnetron sputtering is introduced. Here, SnO thin films with 100 nm in thickness were deposited on glass substrates. A stack structure of SnO2/SnO, where few nanometers of SnO2 were determined on the SnO thin film by X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, XPS depth profile analysis of the pristine and heat treated thin films were introduced. The electrical behavior of the as-sputtered films during heat treatment in air and nitrogen was recorded to investigate the working conditions for the SnO sensor. Subsequently, The NH3 sensing properties of the SnO sensor at operating temperature of 50?200 oC were examined, in which the p-type semiconducting sensing properties of the thin film were noted. The sensor shows good sensitivity and repeatability to NH3 vapor. A sensing mechanism was proposed and discussed. On the final part, visible light induced gas sensing properties of SnO thin film was discovered and compared with thermal induced gas sensing properties of the as-prepared sample. In this study, 10 nm thin film of SnO sensor was fabricated for the measurement. The device tested with H2S and NO2 at 100?200 oC without light (dark mode) showed a transition gas sensing behavior of the thin film from p-type to n-type at 150 and 200 oC. The purple (λ = 405 nm), green (λ = 510 nm) and red (λ = 658 nm) light response of the sample was fast (2 s) and repeatable. Interestingly, the sensor was better responded to SO2, NO2, H2S and NH3 under purple light at room temperature comparing with the sensor response at 100?200 oC. There was no phase transformation between SnO and SnO2 during the measurement. Especially, the response-recovery curves were highly repeatable and the minimum concentration of H2S which the sensor can detect is 5 ppm. Comprehensive conclusions were made, in which different submicron structures of Cu2O were well tailored by RF magnetron sputtering. VLS and VQS were considered as the main mechanism of the growth. The sensing performance of the submicron-tree Cu2O sensor was enhanced significantly comparing with that of the thin film device. In addition, P-type semiconducting gas sensing properties of SnO was first time recorded at the operating temperature below 200 oC. More interestingly, purple light induced gas sensing performance of 10 nm SnO thin film at room temperature was found to be far more better than that operated at elevated temperature. The involved sensing mechanism was introduced and discussed.
주제어
#Syntheses and gas sensing properties of SnO and Cu2O nanomaterials
학위논문 정보
저자
Vu Xuan Hien
학위수여기관
경북대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
신소재공학부 전자재료공학
발행연도
2015
총페이지
viii, 138 p.
키워드
Syntheses and gas sensing properties of SnO and Cu2O nanomaterials
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