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제안 방법
- 준비된 ZnO 씨앗층 위에 수열합성법을 사용하여 수직으로 정렬된 ZnO 나노막대 집합체를 성장시켰는데, 여기서 사용된 수열합성용 용액은 50 mM의 질산 제2아연 6수화물[Zn(NO3)2·6H2O]과 50 mM의 헥사메틸렌테트라민(C6H12N4)를 계량한 다음에 자기 교반자를 사용하여 균일하게 혼합하여 준비하였다.
- 13,14) 다른 한편으로, 비교적 높은 효율성과 감도 덕분에 다른 산화물 반도체들과 결합된 ZnO 기반 p-n 이종접합 구조체들이 태양전지, 광검출기 그리고 가스 센서 같은 다양한 전자 소자, 광전 소자 그리고 전기화학 소자의 핵심적인 기술로 간주된다.15-17) 이 논문에서는 3.37 eV의 밴드갭(band gap)을 갖는 n-형 산화물 반도체 ZnO와 결합하여 산화물 이종접합 구조체를 형성할 수 있는 p-형 산화물 반도체로서 CuO를 선택하였다. 단사결정 구조를 갖는 CuO는 비교적 좁은 1.
- 본 논문에서는 산화인듐주석(ITO)이 코팅된 유리 기판 위에 수열합성법을 이용하여 합성된 ZnO 나노막대 집합체 및 그 위에 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 형성된 CuO 박막으로 이루어진 CuO/ZnO 산화물 반도체 p-n 이종접합 구조체를 제작하였다. 제작된 CuO 박막/ZnO 나노막대 이종접합 구조체의 구조적 특성을 확인한 다음에 정류 및 일산화가스 감지 특성을 체계적으로 조사하였다.
- 본 논문에서는 산화인듐주석(ITO)이 코팅된 유리 기판 위에 수열합성법을 이용하여 합성된 ZnO 나노막대 집합체 및 그 위에 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 형성된 CuO 박막으로 이루어진 CuO/ZnO 산화물 반도체 p-n 이종접합 구조체를 제작하였다. 제작된 CuO 박막/ZnO 나노막대 이종접합 구조체의 구조적 특성을 확인한 다음에 정류 및 일산화가스 감지 특성을 체계적으로 조사하였다. 여기서 우리는 산화물 반도체 CuO 박막/ZnO 나노막대 p-n 이종접합 구조체가 낮은 비용, 높은 성능의 NO 가스 센서용 감지체로써 유망하다는 점을 제시할 것이다.
- 먼저 ZnO 나노입자를 씨앗층(seed layer)으로 활용하는 수열합성법을 통해서 ITO가 코팅된 유리 기판 위에 n-형 ZnO 나노막대 집합체를 성장시켰다.22) ZnO 씨앗층을 형성하기 위해 우선 스퍼터링법을 사용하여 나노미터 두께의 ZnO 금속 박막을 순수한 Zn 금속 타겟으로부터 ITO가 코팅된 유리 기판 위에 증착하였다.
- 22) ZnO 씨앗층을 형성하기 위해 우선 스퍼터링법을 사용하여 나노미터 두께의 ZnO 금속 박막을 순수한 Zn 금속 타겟으로부터 ITO가 코팅된 유리 기판 위에 증착하였다. Zn 금속 박막은 상온에서 5 mTorr의 Ar 분위기 하에서 2분 동안 증착하였다.
- 이종접합 구조체의 전기적 특성 및 NO 가스 감지 특성을 조사하기 위해 1.0 × 1.0 cm2의 면적을 갖는 두 개의 사각형 Ag 접촉을 CuO와 ITO 표면 위에 형성하였다.
- 제작된 CuO 박막/ZnO 나노막대 산화물 반도체 이종접합의 결정상을 알아보기 위해 X선 회절 분석기(XRD)를 사용하였으며, 미세구조 분석을 위해 냉전계형 장방출 주사전자현미경(SEM)를 이용하였다. 이종접합 구조체의 전기적 특성 및 NO 가스 감지 특성을 조사하기 위해 1.
- 0 cm2의 면적을 갖는 두 개의 사각형 Ag 접촉을 CuO와 ITO 표면 위에 형성하였다. 건조한 공기 중에서 그리고 NO 가스에 노출된 상태에서 이종접합의 전류-전압(I-V) 특성은 Keithley 2400 소스 미터와 자체 제작한 가스 감지 특성평가 장치를 사용하여 측정하였다. 일산화질소 가스 감지 특성을 측정하는 동안, 건조 공기 속 NO 가스의 농도는 총 흐름속도를 500 sccm으로 유지하는 상태에서 질량식 유량조절기를 사용하여 2 ppm에서 14 ppm까지 변화시켰으며, 센서의 작동온도는 상온에서 250 ℃까지 정확하게 조절되었다.
- 산화물 ZnO 및 CuO 결정상의 형성을 확인하기 위해 X-선 회절 실험을 수행하였다. Fig.
- 제작된 산화물 반도체 이종구조의 가스 감지 성능을 조사하기 위해 여러 온도에서 CuO 박막/ZnO 나노막대 이종접합 구조체를 건조 공기 중 미량의 NO 가스에 노출시켰다. 전기적 특성을 측정하는 동안 건조 공기 중 NO 가스의 농도를 2 ppm에서 14 ppm까지 변화시켰다.
- 제작된 산화물 반도체 이종구조의 가스 감지 성능을 조사하기 위해 여러 온도에서 CuO 박막/ZnO 나노막대 이종접합 구조체를 건조 공기 중 미량의 NO 가스에 노출시켰다. 전기적 특성을 측정하는 동안 건조 공기 중 NO 가스의 농도를 2 ppm에서 14 ppm까지 변화시켰다. Fig.
- 수열합성법을 이용하여 합성된 n형 ZnO 나노막대 집합체 및 그 위에 스퍼터링법을 이용하여 형성된 p형 CuO 박막으로 이루어진 p-CuO 박막/n-ZnO 나노막대 산화물 반도체 이종접합 구조체의 전기적 수송 거동과 NO 가스 감지 특성을 체계적으로 조사하였다. 제작된 CuO 박막/ZnO 나노막대 이종접합 구조체는 상온에서 250 ℃에 이르기까지 다양한 온도에서 분명한 정류 특성을 나타내었다.
이론/모형
- 산화물 반도체 이종접합을 형성하기 위해 사전에 합성된 ZnO 나노막대 집합체 위에 CuO 박막을 rf 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 성장시켰다. 먼저 Cu 금속 박막을 상온에서 5 mTorr의 Ar 분위기 하에서 20분 동안 증착한 다음에 건조한 공기 분위기에서 열처리 공정을 600 ℃에서 1시간 동안 진행함으로써 CuO 박막을 형성하였다.
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