Synthesis and Characterization of Semiconducting Nanostructured Materials for Hydrogen Gas Sensor and Thermoelectric Application

Abstract

In chapter 1, highly sensitive hydrogen sensor at room temperature was fabricated using semiconducting SnO2 nanowire (NW) co-deposited with Pd and Sn particles. SnO2 NWs were obtained by a thermal chemical vapor deposition under inert atmosphere. The morphology and structure of the SnO2 NWs were examined by HR-TEM, SEM, PXRD and Raman spectroscopy. The optical band gaps of SnO2 NWs were determined by UV/VIS spectroscopy. The surface of SnO2 NWs was decorated with catalytic metal nanoparticles by reducing metal ion precursor in aqueous solution. Out of various catalytic noble metals, Pd is used as a catalyst in hydrogen gas sensor. Further experiments were conducted to investigate hydrogen gas sensing mechanism of semiconducting SnO2 NW system. Comparing the sensing performance of pristine SnO2 NW, Pd deposited SnO2 NW, Pd-Sn co-deposited SnO2 NW, we found that Pd-Sn co deposited SnO2 NW has a significant improvement in sensitivity and reproducibility toward hydrogen gas in the air. The high sensitivity and reproducibility of Pd-Sn co-deposited NW seems to attribute to catalytic dissociation of the hydrogen molecule on Pd particles and catalytic oxygen reduction on Sn particles. In chapter 2, monodispersed bismuth telluride (Bi2Te3) nanoparticles were obtained by one-pot two-step solution based procedure and investigated the effect of the surface ligand on the thermoelectric properties of Bi2Te3 nanoparticles. The synthesized nanoparticles are investigated by using HR?]TEM, PXRD, XPS, FT-IR spectroscopy and SEM-EDS analysis. Rhombohedral structured Bi2Te3 nanoparticles with round shape are formed and their size was around 10 nm. Negatively charged inorganic ligands, SnS44-, can successfully replace the organic ligands used for synthesizing nanoparticles as a stabilizing agent. The organic ligands on surface of Bi2Te3 nanoparticles were exchanged with inorganic ligand Na4SnS4 by two-phase transfer reaction. We found that thermoelectric properties were strongly dependent on the surface ligand of Bi2Te3 nanoparticles. The electrical conductivity and Seebeck coefficient of Bi2Te3 nanoparticles were increased by changing with inorganic surface ligand. These improved thermoelectric performances result from both the increasing phonon scattering at the boundary of the nanoparticles and removing the insulating organic parts.;본 연구의 제 1장은 Palladium(Pd)과 Tin(Sn) 나노입자가 함께 입혀져 있는 SnO2 단일 나노선의 수소 가스 감지 향상에 관한 것이다. 열화학증기증착법(thermal chemical vapor deposition)을 이용하여 다양한 SnO2 나노구조물을 합성하였다. 그 중 SnO2 나노선의 형태와 구조는 HR-TEM, PXRD, SEM과 라만분광법을 이용하여 증명하였고 광학적 밴드갭은 UV/VIS 분광법을 통해 분석하였다. 합성된 SnO2 나노선의 표면은 수용액에서의 금속 이온 전구체의 환원반응을 통해 촉매역할을 할 수 있는 Pd, Pt, Au, Ag의 금속나노입자를 입혀 개질시켰다. 여러 금속 나노입자 중 Pd은 수소가스를 감지할 때의 촉매로 널리 알려져있으며, 본 연구에서는 Pd이 Sn과 함께 존재할 때 수소가스 센싱에 어떠한 역할을 하는지를 보다 자세히 확인하였다. 구체적인 센싱 메커니즘을 이해하기 위해 SnO2 단일 나노선 위에 증기증착법을 이용하여 Pd과 Sn 나노입자를 증착시키는 방법으로 전계 방출형 트랜지스터 타입의 디바이스를 만들어 수소가스에 대한 반응을 측정하였다. 개질하지 않은 원래 상태의 SnO2, Pd을 증착시킨 SnO2 단일 나노선과 비교해 보았을 때, Pd과 Sn을 함께 증착시킨 SnO2 단일 나노선이 수소가스에 대한 민감도와 재현성이 월등히 뛰어났으며 거의 완벽한 회복을 보였다. 이와 같이 Pd과 Sn이 함께 증착된 SnO2 단일 나노선이 향상된 수소감지 능력과 회복을 보이는 것은 Pd 입자 표면에서의 수소분자의 촉매적인 분해와 Sn 입자가 산소분자의 환원반응을 돕는 상호보완적은 작용에 기인하는 것이라 예상된다. 제 2장에서는, one-pot two-step반응을 통해 10 nm 정도의 균일한 크기를 갖는 둥근 모양의 Bi2Te3 나노입자를 합성하였다. 합성된 나노입자의 형태는 SEM, HR‐TEM으로 확인하였고 조성과 구조는 SEM-EDS, PXRD를 통해 분석하였다. 합성된 Bi2Te3 나노입자 표면을 둘러싸고 있는 긴 탄화수소 줄기를 가진 오가닉 리간드는 인오가닉 리간드인 SnS44- 로 성공적으로 치환하였다. 열전성능에 리간드가 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해 오가닉 리간드와 인오가닉 리간드로 둘러싸인 Bi2Te3 나노입자를 각각 준비하여 실험하였고, 표면 리간드가 열전 성능에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. 표면 리간드를 인오가닉 리간드로 치환하자 Bi2Te3 나노입자의 전기전도도와 Seebeck상수가 커지는 등 열전성능이 향상 되었다. 이러한 열전성능의 향상은 나노구조물 경계에서의 포논 산란 증가와 절연체인 오가닉 부분의 제거에 기인한다.