Study on the Effects of Beam Irradiations on the Sensing Properties of Nanostructured Gas sensor

Abstract

Over the past years, due to high standards of living, much attention has been focused on the environmental pollution with the increasing amount of hazardous gases. Therefore, many researchers all around the world, are actively working on the fields related to this area. One of the main steps for decreasing such gases is early detection of them. Accordingly, different types of gas sensors have been developed over the past decades. Among them, conductometric gas sensors is one of the most popular mediums. The basic sensing mechanism in such a kind of gas sensors is a change of the resistance of sensing layer upon exposure to targeted gas. Therefore, every material which has semiconducting behavior, has potential to be a conductometric gas sensor. However, for commercial purposes, only a limited number of materials can be considered as a medium. 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 processing, high stability, high sensitivity to a wide range of toxic gases, short response time and cheapness. Graphene is another popular material. It has unique electrical, mechanical, optical and thermal properties, along with 2-dimensional structure, which provides huge surface area for adsorption of gases species. However, in order to increase its sensing capacity, reduced form of graphene, namely reduced graphene oxide (RGO), can be used with almost the same properties to graphene, but with much more defects and dangling bond, which is more favored way for adsorption of gases on its surfaces. Sensing materials in the pristine form cannot usually fulfill all the requirements of sensing devices like high stability, high sensitivity and high selectivity (3S). Thus, many strategies such as the formation of p-n junctions, decoration with noble metals, post-treatment with high energy beams, or combination of them have been proposed to increase their performance. In this dissertation, we used ion-beam irradiation, microwave (MW) irradiation and electron beam (e-beam) irradiation on the sensing materials and studied their sensing behavior. We prepared SnO2 nanowires (NWs) through thermal evaporation process of Sn powders at 900°C. Then, to investigate effect of ion- beam irradiation, they were irradiated with high energy He+2 ions (45 MeV) with different ion fluences (1×1014, 1×1015 and 1×1016 ion/cm2). This study clearly demonstrated the promising effect of ion beam irradiation on the gas sensing performance, which can be extended to other sensing materials. MW irradiation is one of the most important ways to synthesize and treat different nanostructures including sensing materials. This is mainly owing to green, fast and cost-effective nature of this process. We prepared ZnO/graphene nanocomposites by MW irradiation (2.45 GHz frequency and 1 kW power). The obtained results in this study demonstrated the high efficiency of MW irradiation as a feasible, cheap and green irradiation method to practically enhance the capability of the gas sensors. Finally, we investigated the effect of electron beam irradiation (EBI) on the gas sensing behavior of reduced graphene oxide (RGO). The result obtained suggested that the choice of irradiation dose is very important to obtain the high sensing performance especially in graphene-based gas sensors.; 최근 유독 가스 및 대기 오염 문제에 많은 관심이 쏠리고 있다. 때문에 최근 전 세계적으로 대기 오염물질의 검출과 감소에 관한 연구들이 수행되고 있다. 이러한 연구들의 주된 이슈 중 하나는 유해가스를 사전에 검출하는 연구이며 최근에 여러 종류의 가스를 검출하는 가스센서 물질 연구가 진행 되어 왔다. 여러가지 가스센서 방식이 존재 하지만 그 중에서도 반도체식 가스센서가 주 연구대상이다. 반도체식 가스센서의 주 메커니즘은 센서 물질이 가스에 노출될 때 표면에서의 흡착 반응에 의한 저항 변화를 관찰하는 것이다. 그러한 특성 때문에 거의 모든 반도체 물질이 가스센서로서 응용 가능성이 있다. 그러나 실제 상용화를 통하여 제품으로 만들어지는 반도체 재료는 많지가 않다. 주로 금속 산화물 반도체를 가스센서에 응용한다. 금속 산화물 반도체 가스센서는 적용성, 쉬운 합성 공정, 안정성, 높은 감도, 짧은 반응시간 그리고 경제적인 제작 가격이 장점이다. 그래핀은 또 다른 가스센서 재료이다. 그래핀의 전기적, 기계적, 광학적, 열적 특성은 주로 표면적이 넓은 2-d 구조에서 기인한다. 그래핀은 2-d 구조로 인하여 가스 흡착을 위한 넓은 표면적을 가지고 있다. 그러나 센서 재료로서의 성능을 높이기 위하여 그래핀 보다는 가스가 표면에 흡착하기 쉬운 결함이나 작용기들이 붙어있는 Reduced Graphene Oxide (RGO)를 센서 재료로서 활용한다. 앞서 언급한 산화물반도체나 RGO 가스센서의 경우 그 자체로 센서 산업에서 요구하는 높은 안정성, 선택성, 감도를 충족시킬 수 없다. 따라서 p-n 접합 구조의 형성, 촉매 부착, 빔 조사를 통한 후처리 공정 혹은 이것들을 다중 적용함으로 센서 성능을 향상시키는 연구가 진행되어 왔다. 이번 학위논문에서는 이온빔, microwave, 전자빔 조사를 통한 산화물 반도체와 그래핀 기반 센서 재료의 근본적 변화와 센서 특성 향상 효과를 알아보았다. 첫째로 SnO2 nanowire 구조에 헬륨 이온빔을 다른 조사량 (1×1014, 1×1015 and 1×1016 ion/cm2) 으로 조사하여 센서 특성의 변화를 연구하였다. 이 연구에서 이온빔에 의한 선택성 및 감도 향상에 영향을 주는 defect가 발현하였음을 알고있었고 이는 다른 물질에도 쉽게 적용 가능할 것으로 예상된다. 두번째로 Microwave 조사를 통한 ZnO/graphene nanocomposite의 센서특성 변화를 연구하였다. 연구 결과 마이크로웨이브의 친환경적 공법을 통하여 센서특성을 향상 시킬수 있었다. 마지막으로 RGO에 전자빔을 조사하는 실험을 진행하였다. 그래핀 기반 가스센서에 전자빔이 어떤 영향을 주는지에 대한 연구를 수행하였다.