Point Defect Controlled Oxide Semiconductors for High Performance Gas Sensors

Abstract

현재 세계 인구의 약 절반이 도시와 산업 지역에 살고 있으며, 유독 가스 및 대기 오염은 지역 생태계뿐만 아니라 우리의 삶을 심각하게 위협하고 있어, 이 문제에 대해 많은 관심이 쏠리고 있다. 특히 NO2는 공장, 자동차, 화학 공장에서 연소 시 발생되는 극도로 위험한 가스로, 심각할 경우 인체 호흡기에 영향을 주어, 염증, 폐 부종, 및 사망을 유발할 수 있다. 이러한 관점에서, 유해가스를 사전에 검출하는 것은 매우 중요하며, 최근에는 여러 종류의 가스를 검출하기 위하여, 가스센서의 감지물질 연구가 진행 되어 왔다. 그중 저항성 가스 센서는 가스 감지에 가장 많이 사용되는 화학 센서 중 하나다. 저항성 가스 센서의 기본 감지 메커니즘은 대상 가스에 노출 될 때 감지 층의 저항이 변화하는 것이다. 따라서 반도체 거동을 나타내는 모든 재료는 저항성 가스 센서로 사용될 가능성이 있다. 그러나 실제 상용화를 통하여 제품으로 만들어지는 반도체 재료는 많지가 않다. 현재는, 주로 금속 산화물 반도체를 가스센서의 감지재료로 사용하는 연구가 많이 이루어지고 있다. 금속 산화물 반도체 가스센서의 장점으로는 적용성, 쉬운 합성 공정, 안정성, 높은 감도, 짧은 반응시간 그리고 경제적인 제작 가격이 있다. 일반적인 형태의 감지 재료는 높은 안정성, 감도, 선택성을 얻기 힘들며, 습도에 의해 가스 감응의 영향이 쉽게 간섭 받을 수 있다. 따라서 noble metal 적용, p-n 접합, 빔 처리 또는 이들의 조합과 같은 많은 전략이 가스 감지 성능을 높이기 위해 제안되고 있다. 이번 학위논문에서는 양성자 빔, microwave 조사를 통한 ZnO nanoparticle과 SnO2 nanowire 산화물 반도체의 표면 결함 변화를 탐색하고 센서 특성 향상 효과를 알아보았다. 첫째로 ZnO nanoparticle 구조에 양성자 빔을 각기 다른 조사량 (1×1012, 1×1013, and 1×1014 ions/cm2) 으로 조사하여 센서 특성의 변화를 연구하였다. 이 연구에서 양성자 빔에 의한 NO2 가스 선택성 및 감도 향상, 그리고 습도 영향을 줄이는 거동과 관련된 defect가 발생하였음을 확인하였고, 이는 다른 물질에도 쉽게 적용이 가능할 것으로 예상된다. 마지막으로 Microwave 조사를 통한 SnO2 nanowire의 센서특성 변화를 연구하였다. 연구 결과 친환경적인 마이크로웨이브 조사를 통하여 센서특성을 향상 시킬 수 있었다.|Currently, approximately half of the world population is living in urban and industrial areas, where air pollution critically threatens their lives as well as the local ecosystem. In particular, NO2 is an extremely hazardous gas that is generated by combustion in factories, motor vehicles, and chemical plants. NO2 has an extremely low threshold limit value (TLV) of 3 ppm. NO2 attacks on the human respiratory system can cause airway inflammation, pulmonary edema, and death. One of the main steps for decreasing such gases is early detection of them. Accordingly, many sensing materials have been used to detect NO2. Among them, resistive gas sensor is one of the most popular chemical sensors for gas detection. The basic sensing mechanism of resistive gas sensors is a change of the resistance of sensing layer upon exposure to target gas. Therefore, any material that exhibits semiconducting behavior has the potential to be used as a resistive gas sensor. However, for commercial purposes, only a limited number of materials are considered as a candidate. Today, metal oxide semiconductors are the most common sensing material for this kind of sensor. This is due to their numerous advantages such as availability, easy synthesis and handling, high stability, high sensitivity to a wide range of toxic gases, short response time and low cost. Sensing materials in the pristine form cannot usually fulfill all the requirements of sensing devices like high stability, sensitivity, selectivity, and less humidity interference. Thus, many strategies such as the formation of noble metal decorations, p-n junctions, beam-treatment, or combination of them have been proposed to increase their gas sensing performance. In this dissertation, we used proton beam irradiation and microwave (MW) irradiation on the sensing materials and studied their sensing behavior. We used ZnO nanoparticles (NPs) as the starting material. Then, to investigate effect of proton beam irradiation, they were irradiated with high energy protons (2 MeV) with different ion fluences of 1×1012, 1×1013, and 1×1014 ion/cm2. This study clearly demonstrated the promising effect of proton beam irradiation on improved NO2 gas sensing with no significant interference from humidity at the same time. Finally, we investigated the effect of microwave beam irradiation on the gas sensing behavior of ZnO. Microwave irradiation is one of the most important techniques in synthesizing and treating different nanostructures including sensing materials. This is mainly due to the green, fast and cost-effective nature of microwave irradiation process. SnO2 nanowires (NWs) through thermal evaporation process of Sn powders at 900°C and irradiated with microwave (2.45 GHz frequency and 1 kW power). The results in this study demonstrated the high efficiency of microwave irradiation as a feasible, cheap, and green irradiation method to practically enhance the capability of the gas sensors.