KR101621021B1 - Sensor having core-shell nanowire and preparing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a sensor comprising a core-shell nanowire and a method of manufacturing the same.
지난 수년간, 1차원 나노 구조를 바탕으로 제작된 센서는 기존의 센서에 비하여 높은 반응성과 검출 속도로 인하여 많은 관심을 받아 왔다. 1차원 나노 구조 물질이 이러한 특성을 나타내는 이유는 나노 구조의 물질이 갖는 높은 부피 대 표면적과 1차원 물질들이 서로 다중 결합되었을 때 중첩된 부분에서의 에너지 장벽 때문이다.In recent years, sensors based on one-dimensional nanostructures have attracted much attention due to their high reactivity and detection speed compared to conventional sensors. One-dimensional nanostructured materials exhibit this property because of the high volume-to-surface area of the nanostructured material and the energy barrier in the overlapped portion when the one-dimensional materials are coupled together.
상기와 같은 이유로 1차원 나노구조의 물질과 관련된 수많은 연구가 이루어지고 있으며, 더 나아가 상기 물질의 가스 검출 특성을 더욱 향상시키기 위한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 기존의 센서에 대하여 그 감도를 더욱 향상시키고자 하는 특성으로는, 가스 검출 센서의 민감성과 반응 속도, 선택도, 그리고 검출 가능한 가스 농도의 한계치 등이 있다. 또한 상기 언급된 특성들을 향상시키기 위한 1차원 나노 구조체를 가공하는 방법으로는, 형상의 변형, 코어-쉘(core-shell)구조, 금속 기능화 등의 방법이 있으며, 이러한 가공에 의하여 각각 다른 원리로 검출 센서의 특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
Numerous studies related to the one-dimensional nanostructured material have been conducted for the above reasons, and various studies for further improving the gas detection characteristics of the material have been continuously carried out. Sensitivity and reactivity of the gas detection sensor, selectivity, and limit of detectable gas concentration are some of the characteristics that the sensitivity of existing sensors should be further improved. In addition, as a method of processing the one-dimensional nanostructure to improve the above-mentioned characteristics, there are a method of deforming the shape, a core-shell structure, a metal functionalization and the like. The effect of improving the characteristics of the detection sensor can be expected.
상기의 방법 중 코어-쉘 구조를 바탕으로 수행한 연구 중에서, Singh 그룹에서는 1차원 나노 구조 중 코어-쉘 구조가 갖는 가스 검출 특성에 대하여 연구하였다(Sens. Actuators, B 2011, 160, 1346.1351). 상세하게는, 산화 인듐 코어와 산화 아연 쉘으로 구성된 나노와이어(nanowire)를 나노 구조 표면에 가스가 공급되면 산화 인듐과 산화 아연의 코어-쉘 계면에서 공핍층이 형성됨을 주장하였고, 그 이유 코어와 쉘이 각기 다른 물질로 구성되어 서로 다른 일함수를 갖고 있기 때문으로 설명하였다.Of the above methods, based on the core-shell structure, the Singh group studied the gas detection characteristics of the core-shell structure among the one-dimensional nanostructures (Sens. Actuators, B 2011, 160, 1346.1351). Specifically, it has been claimed that a depletion layer is formed at the core-shell interface between indium oxide and zinc oxide when a nanowire composed of indium oxide core and zinc oxide shell is supplied to the surface of the nanostructure, Shells are composed of different materials and have different work functions.
또한, 상기 연구에서는 코어-쉘 구조의 나노와이어 센서에서 최적의 쉘 두께에 대해서는 개시한 바가 없으며, 다만, 코어-쉘 계면과 표면에서의 공핍층(depletion layer)의 영향과 다중 연결된 나노와이어 계면에서의 에너지 장벽에 의해서 가스 검출 특성이 나타난다고 설명하였다.
In addition, in the above study, no optimal shell thickness has been disclosed in the core-shell nanowire sensor, but the influence of the depletion layer at the core-shell interface and the surface and the effect of depletion layer at the multi- And that the gas detection characteristic is shown by the energy barrier of FIG.
한편, 산화 인듐(In2O3)은 일반적으로 n-타입의 특성을 나타내는 산화물 반도체이며, 3.55 ~ 3.75 eV의 직접 천이형 밴드갭을 갖는다. 1차원 산화 인듐 나노 구조 및 이를 이용한 가스 검출 센서에 관해 다양하게 연구되어 왔고, 산화인듐을 오존, 이산화질소, 일산화탄소 및 수소 등의 검출에 응용되어 왔으나,에탄올의 검출에 있어서는 제한적인 연구만이 이루어져 왔다. 일반적으로 순수한 산화 인듐 나노와이어 가스 검출 센서의 경우, 100 ppm 이하의 에탄올 농도에서는 300 % 이하의 반응성을 나타낸다. 또한, 선행 문헌에서는 단순한 산화 인듐의 경우, 에탄올 가스에 대한 선택적 반응성이 높지 않은 것으로 나타나있고, 일산화탄소나 수소에 대한 반응성이 매우 높게 나타나는 것으로 알려져 있다.
On the other hand, indium oxide (In 2 O 3 ) is an oxide semiconductor exhibiting n-type characteristics in general, and has a direct transition band gap of 3.55 to 3.75 eV. Indium oxide has been used for the detection of ozone, nitrogen dioxide, carbon monoxide and hydrogen, but limited research has been conducted on the detection of ethanol. . Generally, in the case of a pure oxide indium nanowire gas detection sensor, the reactivity is 300% or less at an ethanol concentration of 100 ppm or less. In addition, in the prior art, simple indium oxide shows that the selective reactivity to ethanol gas is not high, and reactivity to carbon monoxide or hydrogen is very high.
이에, 본 발명에서는 에탄올 검출 특성을 향상시키는 방법에 대하여 연구하던 중 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서 및 이의 제조방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, in the present invention, a sensor including a core-shell nanowire and a manufacturing method thereof have been developed while studying a method for improving the ethanol detection characteristic, and the present invention has been completed.
본 발명의 목적은 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a sensor comprising a core-shell nanowire and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,In order to achieve the above object,
기재;materials;
상기 기재 상에 형성된 제1 금속 산화물을 포함하는 코어(core), 및 제2 금속 산화물을 포함하는 쉘(shell)로 이루어진 코어-쉘 나노와이어(nanowire); 및A core-shell nanowire comprising a core comprising a first metal oxide formed on the substrate and a shell comprising a second metal oxide; And
상기 코어-쉘 나노와이어 상에 전극층을 포함하며,And an electrode layer on the core-shell nanowire,
상기 나노와이어 중 쉘의 두께는 디바이 길이(Debye length)의 1.1 내지 2.9 배인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서를 제공한다.
Wherein the thickness of the shell of the nanowire is 1.1 to 2.9 times the Debye length. The present invention also provides a sensor comprising the core-shell nanowire.
또한, 본 발명은,Further, according to the present invention,
기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 단계(단계 1);Forming a core comprising a first metal oxide on a substrate (step 1);
상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센싱부를 형성하는 단계 (단계 2); 및Forming a sensing portion including the core-shell nanowire by forming a shell including a second metal oxide on the core (Step 2); And
상기 센싱부 상에 전극층을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하며,And forming an electrode layer on the sensing unit (step 3)
상기 쉘의 두께는 디바이 길이의 1.1 내지 2.9 배의 값인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.
Wherein the thickness of the shell is 1.1 to 2.9 times the length of the device.
본 발명에 따라 제조되는 코어-쉘 나노와이어는, 기존의 나노와이어나 나타내는 가스 검출 특성의 한계 이상의 검출 특성을 나타내게 되며, 최적의 코팅층을 및 코어 쉘 구조의 제작에서 쉘의 두께를 결정하는 최적의 두께를 알아낼 수 있다.The core-shell nanowire fabricated according to the present invention exhibits detection characteristics that are above the limits of conventional nanowire or gas detection capabilities and is optimized for optimal thicknesses of the shell layer in the fabrication of the core shell structure The thickness can be determined.
또한, 본 발명에 따른 센서에 포함되는 코어-쉘 나노와이어는, 상기 쉘의 두께가 쉘 디바이 길이의 1.1 내지 2배를 나타냄으로써, 단일 물질로 구성된 나노 구조체 또는 합금 나노 구조체에 비해 향상된 감응성을 가지는 장점이 있다.
In addition, the core-shell nanowire included in the sensor according to the present invention has a shell thickness of 1.1 to 2 times the length of the shell device, so that the core-shell nanowire having improved sensitivity to a nanostructure or alloy nanostructure composed of a single material There are advantages.
도 1은 실시예 1에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 주사전자현미경을 통해 관찰한 사진이고;
도 2(a)와 도 2(b)는 실시예 1에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 투과전자현미경을 통해 관찰한 사진이고, 도 2(c)는 제한 시야 전자빔 회절(SAED, Selected Area Electron Diffraction)분석한 사진이고;
도 3은 실시예 1에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 X-선 회절분석하여 나타낸 그래프이고;
도 4는 실시예 2에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서의에탄올 검출 반응 특성을 쉘의 두께에 따른 변화를 나타낸 그래프이고;
도 5는 비교예 2에서 제조된 단순 합성된 산화인듐 나노와이어를 포함하는 센서와, 실시예 2에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서의 에탄올 검출 반응 특성을 나타낸 그래프이고;
도 6(a)와 도 6(b)는 산화 아연과 산화 인듐의 이종간 접합시의 평형 전 후 상태에서의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 모식도이다.FIG. 1 is a photograph of the indium oxide / zinc oxide nanowire prepared in Example 1 through a scanning electron microscope; FIG.
2 (a) and 2 (b) are photographs of the indium oxide / zinc oxide nanowire produced in Example 1 through a transmission electron microscope, and FIG. 2 (c) Area Electron Diffraction);
3 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the indium oxide / zinc oxide nanowire prepared in Example 1;
FIG. 4 is a graph showing changes in the ethanol detection reaction characteristics of the sensor including the indium oxide / zinc oxide nanowire fabricated in Example 2 according to the thickness of the shell; FIG.
5 is a graph showing the ethanol detection reaction characteristics of the sensor including the simple synthesized indium oxide nanowire manufactured in Comparative Example 2 and the sensor including the indium oxide / zinc oxide nanowire fabricated in Example 2;
Figs. 6 (a) and 6 (b) are schematic diagrams showing energy band diagrams in a state of post-equilibrium bonding between the zinc oxide and the indium oxide.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은, According to the present invention,
기재;materials;
상기 기재 상에 형성된 제1 금속 산화물을 포함하는 코어(core), 및 제2 금속 산화물을 포함하는 쉘(shell)로 이루어진 코어-쉘 나노와이어(nanowire); 및A core-shell nanowire comprising a core comprising a first metal oxide formed on the substrate and a shell comprising a second metal oxide; And
상기 코어-쉘 나노와이어 상에 전극층을 포함하며,And an electrode layer on the core-shell nanowire,
상기 나노와이어 중 쉘의 두께는 디바이 길이(Debye length)의 1.1 내지 2.9 배인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서를 제공한다.
Wherein the thickness of the shell of the nanowire is 1.1 to 2.9 times the Debye length. The present invention also provides a sensor comprising the core-shell nanowire.
기존의 센서에 대하여 그 감도를 더욱 향상시키고자 하는 특성으로는, 가스 검출 센서의 민감성과 반응 속도, 선택도, 그리고 검출 가능한 가스 농도의 한계치 등이 있으며, 상기 언급된 특성들을 향상시키기 위한 1차원 나노 구조체를 가공하는 방법으로는, 형상의 변형, 코어-쉘(core-shell)구조, 금속 기능화 등의 방법이 있다. 본 발명에서는 상기 방법 중에서 코어-쉘 구조의 나노와이어 및 이를 포함한 가스 검출 센서를 제조하였으며, 상기 쉘의 두께가 쉘 디바이 길이의 1.1 내지 2배 일때, 단일 물질로 구성된 나노 구조체 또는 합금 나노 구조체에 비해 향상된 감응성을 나타내었다.
Sensitivity, speed, selectivity, and limit of the detectable gas concentration of the gas detection sensor, which are intended to further improve the sensitivity of the existing sensor, include a one-dimensional As a method of processing the nanostructure, there are methods such as shape modification, core-shell structure, and metal functionalization. In the present invention, a nanowire having a core-shell structure and a gas detection sensor including the nanowire are manufactured from the above methods. When the thickness of the shell is 1.1 to 2 times the length of the shell, the nanowire is compared with the nanostructure or alloy nanostructure composed of a single material. And exhibited improved sensitivity.
이하, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the sensor including the core-shell nanowire according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서에 있어서, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 금속의 산화물일 수 있으며,상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 각각 독립적으로 Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, Rh, Pd 및 Sb등을 사요할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
In the sensor comprising the core-shell nanowire according to the present invention, the first metal oxide and the second metal oxide may be oxides of different metals, wherein the first metal oxide and the second metal oxide are It can be used as an additive for Ti, Sn, Zn, Mn, Mg, Ni, W, Co, Fe, Ba, In, Zr, Cu, Al, Bi, Pb, Ag, Cd, Y, Mo, But is not limited thereto.
또한, 상기 코어에 포함되는 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 쉘에 포함되는 상기 제 2 금속 산화물로서 서로 상이한 금속의 산화물을 이용함으로써, 상기 코어-쉘 나노 와이어의 상기 코어와 상기 쉘의 계면에 헤테로 접합(heterojunction)이 형성되도록 할 수 있다.
Further, by using oxides of metals different from each other as the first metal oxide contained in the core and the second metal oxide contained in the shell, a heterojunction is formed at the interface between the core and the shell of the core- a heterojunction can be formed.
상기 헤테로 접합은 코어-쉘 나노 구조체를 포함하는 센서의 감응성 향상에 기여할 수 있으며, 예를 들어, 상기 제 1 금속 산화물 및 상기 제 2 금속 산화물은 서로 상이한 에너지 밴드 구조(energy band structure)를 가지는 것일 수 있으며, 이로 인해 코어-쉘 나노 와이어에서, 공핍층(depletion layer)이 형성될 수 있다.The heterojunction may contribute to the improvement of the sensitivity of the sensor including the core-shell nanostructure. For example, the first metal oxide and the second metal oxide may have energy band structures different from each other Which in turn can form a depletion layer in the core-shell nanowire.
상기 공핍층(depletion layer)은 전하 운반체가 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것으로서, 예를 들어 p-타입 반도체의 경우 전하 운반체인 정공이 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것일 수 있고, n-타입 반도체의 경우 전하 운반체인 전자가 결핍되어 있는 공간을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The depletion layer means a space in which a charge carrier is deficient. For example, in the case of a p-type semiconductor, a depletion layer may be a space in which a hole serving as a charge carrier is deficient. But the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 코어-쉘 나노 와이어 중 상기 쉘의 두께는 상기 쉘 물질 디바이 길이(Debye length)의 1.1 내지 2.9 배일 수 있으며, 1.5 내지 2.5배가 바람직하고, 1.9 내지 2.1배일 때 더 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The thickness of the shell of the core-shell nanowire may be 1.1 to 2.9 times the Debye length, more preferably 1.5 to 2.5 times, and more preferably 1.9 to 2.1 times, but is not limited thereto. It is not.
상기 디바이 길이(Debye length)는 플라즈마 내부에서 주어진 음의 입자인 자유 전자가 주위의 양의 입자에 의해 차폐되어 외부와 관계없이 그 자신의 운동 에너지에 의해 운동할 수 있는 거리를 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 전하가 일정 부분 없어지는 거리를 의미하는 것으로서, 예를 들어, n-타입 쉘의 표면에 산소가 흡착될 경우 n-타입 반도체의 전하 운반체인 전자가 산소로 이동됨으로써 상기 n-타입 쉘의 표면에는 전자가 없어지는 부분이 발생하게 되는데, 이와 같이 산소 흡착으로 인한 전자의 이동이 일어날 수 있는 최소한의 거리를 일컬어 상기 "디바이 길이"라는 용어를 사용할 수 있다.The Debye length means a distance at which free electrons, which are negative particles given in the plasma, are shielded by the surrounding positive particles and can move by their own kinetic energy regardless of the outside, For example, when oxygen is adsorbed on the surface of an n-type shell, electrons, which are charge carriers of the n-type semiconductor, are transferred to oxygen, The term "device length" can be used to refer to the minimum distance at which electrons can move due to oxygen adsorption, as described above.
예를 들어, 임의의 쉘 물질의 디바이 길이는, 상기 쉘 물질이 가지는 유전상수 등의 고유한 성질 및 코어 물질과의 헤테로 접합에서 비롯된 밴드 구부러짐 현상에 따라 발생되는 포텐셜 장벽(potential barrier)의 높이에 따라 달라질 수 있다. For example, the device length of any shell material is dependent on the inherent properties of the shell material, such as the dielectric constant, and the height of the potential barrier generated by the band bending phenomenon resulting from the heterojunction with the core material Can vary.
일반적으로 표면 공핍층의 두께는 디바이 길이(Debye, D)와 같게 나타난다고 알려져 있다. 그러나 코어-쉘 구조에서의 실질적인 공핍층의 두께는 쉘의 디바이 길이와 코어와 쉘의 계면에 의해 쉘에서 발생하는 디바이 길이의 합에 해당하는 값일 수 있다. In general, the thickness of the surface depletion layer is known to be equal to the Debye length (Debye, D ). However, the thickness of the depletion layer in the core-shell structure may be a value corresponding to the sum of the shell length of the shell and the shell length due to the interface between the core and the shell.
예를 들어, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노 와이어에 있어서, 상기 코어는 산화인듐(In2O3)이고, 상기 쉘은 산화아연(ZnO)이며, 에탄올 가스를 감지할 수 있는 산화인듐-산화아연 나노와이어의 공핍층의 두께는, 산화 아연의 표면에서의 공핍층의 두께인 산화아연의 디바이 길이인 D(ZnO)와, 산화 인듐과 산화 아연계면에 의해 산화아연에서 발생하는 디바이 길이의 합(D(In2o3)+D(ZnO))에 해당하는 값이다.For example, in the core-shell nanowire according to the present invention, the core is indium oxide (In 2 O 3 ), the shell is zinc oxide (ZnO), and indium oxide-oxide The thickness of the depletion layer of the zinc nanowire is determined by the sum of D (ZnO), which is the thickness of the zinc oxide, which is the thickness of the depletion layer on the surface of the zinc oxide, and the sum of the divider lengths generated in the zinc oxide by the indium oxide and zinc oxide interfaces ( D (In 2 o 3 ) + D (ZnO)).
만일 산화 아연의 두께가 D(ZnO)의 2 배보다 두꺼운 경우, 나노와이어 공기에 노출이 되면 산소 입자는 산화 아연의 전도대에서 전자를 추출해 내고 표면에서 D(ZnO)만큼의 공핍층이, 계면에서 D(ZnO)만큼의 공핍층이 발생할 것이나, 그 둘 사이에는 전자가 통하는 채널이 형성되어 있을 것이다. If the thickness of the zinc oxide is greater than twice the thickness of D (ZnO), when the nanowire is exposed to air, the oxygen particles extract electrons from the conduction band of zinc oxide and a depletion layer of D (ZnO) A depletion layer of D (ZnO) will be generated, but a channel through which electrons pass may be formed between the two.
그러나, 만약 산화 아연의 두께가 D(ZnO)의 2 배의 길이보다 작게 코팅될 경우, 나노 와이어 표면의 공핍층과 계면 사이의 공핍층이 서로 맞닿아 있게 되어, 산화 아연 층은 완전히 절연상태로 존재하게 되고, 더욱 높은 저항 값을 나타내게 된다. 반면에, 코어 쉘 구조의 나노와이어가 에탄올과 같은 환원성 가스와 반응시 전자는 쉘 층의 전도대에 재공급되어 저항을 낮출 수 있다.However, if the thickness of the zinc oxide is coated to less than twice the length of D (ZnO), the depletion layer between the depletion layer and the interface of the nanowire surface will be in contact with each other, And exhibits a higher resistance value. On the other hand, when the nanowire of the core shell structure reacts with a reducing gas such as ethanol, the electrons are supplied to the conduction band of the shell layer to lower the resistance.
따라서, 쉘층의 두께가 증가함에 따라, 환원성 가스의 공급시 쉘 층의 전도대로 공급되는 전자의 양 역시 증가하게 되며, 이는 저항 감소될 수 있으며, 쉘층의 두께가 2D(ZnO)와 동일하게 된다면, 쉘 층은 최대의 전자를 공급받게 될 것이다. Therefore, as the thickness of the shell layer is increased, the amount of electrons supplied to the conduction band of the shell layer during the supply of the reducing gas also increases, and the resistance can be reduced. If the thickness of the shell layer becomes equal to 2 D (ZnO) , The shell layer will be supplied with the largest amount of electrons.
즉, 공기에 노출시 최대의 저항값을 갖게 되는 나노와이어는 환원성 가스와의 접촉시 최대의 전자를 공급받게 되어 결과적으로 최대치의 가스 검출 반응성을 나타낼 것이다. 반면에, 만약 쉘 층의 두께가 2D(ZnO) 보다 더 두꺼워지면, 환원성 가스와의 접촉으로 인하여 공급받게 되는 전자의 양은 단지 D(ZnO) 두께에 국한될 것이고 저항의 감소 역시 제한적일 수 밖에 없다. 따라서, 이를 이용한 가스 검출 능력 역시 감소할 것이다. In other words, the nanowire having the maximum resistance upon exposure to air will receive the maximum electrons upon contact with the reducing gas, and as a result will exhibit maximum gas detection responsiveness. On the other hand, if the thickness of the shell layer is thicker than 2 D (ZnO), the amount of electrons to be supplied due to contact with the reducing gas will be limited only to the thickness of D (ZnO) . Therefore, the gas detection capability using this will also decrease.
그러므로 본 발명에 따른 코어-쉘 나노 와이어 중 상기 쉘의 두께는 쉘 물질 디바이 길이의 1.1 내지 2.9 배인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1.5 내지 2.5배이고, 더욱 바람직하게는 1.9 내지 2.1배이다.
Therefore, the thickness of the shell of the core-shell nanowires according to the present invention is preferably 1.1 to 2.9 times, more preferably 1.5 to 2.5 times, more preferably 1.9 to 2.1 times the length of the shell material divisor.
또한, 상기 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서는 수소(H2 ), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 프로판(C3H8), 황화수소(H2S), 벤젠(benzene), 디메틸아민(dimethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 톨루엔(toluene) 및 자일렌(xylene)등을 감지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Further, the core-sensor including a shell nanowire is hydrogen (H 2), carbon monoxide (CO), methane (CH 4), ammonia (NH 3), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH ), Propane (C 3 H 8 ), hydrogen sulfide (H 2 S), benzene, dimethylamine, triethylamine, toluene and xylene But is not limited thereto.
또한, 본 발명은,Further, according to the present invention,
기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 단계(단계 1);Forming a core comprising a first metal oxide on a substrate (step 1);
상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센싱부를 형성하는 단계 (단계 2); 및Forming a sensing portion including the core-shell nanowire by forming a shell including a second metal oxide on the core (Step 2); And
상기 센싱부 상에 전극층을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하며,And forming an electrode layer on the sensing unit (step 3)
상기 쉘의 두께는 디바이 길이의 1.1 내지 2.9 배의 값인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.
Wherein the thickness of the shell is 1.1 to 2.9 times the length of the device.
이하, 본 발명에 따른 코어-쉘 나노와이어를 포함하는 센서의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a sensor including the core-shell nanowire according to the present invention will be described step by step.
상기 단계 1은 기재 상에 제 1 금속 산화물을 포함하는 코어를 형성하는 단계이며, 금속 산화물 반도체를 사용할 수 있고, TiO2, SnO2, ZnO, MnO2, MgO, NiO, WO3, Co3O4, Fe2O3, BaTiO3, In2O3, ZrO2, CuAlO2 및 Bi2O3 또한 금속 산화물 복합체등을 사용하여 열 기화 증착법 및 스퍼터링법 등을 통해 나노 와이어를 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 단계 2는 상기 코어 상에 제 2 금속 산화물을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센싱부를 형성하는 단계로써, 이때, 상기 단계 2의 쉘은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 통해 형성될 수 있다. Next,
상기 원자층 증착법의 수행 횟수(cycle 수)를 조절함으로써 상기 쉘의 두께를 조절할 수 있다. 이때, 상기 쉘의 두께는 상기 금속 산화물의 디바이 길이의 1.5 내지 2.5 배 또는 1.9 내지 2.1 배의 값을 가질 수 있다.
The thickness of the shell can be controlled by adjusting the number of cycles (number of cycles) of the atomic layer deposition method. At this time, the thickness of the shell may be 1.5 to 2.5 times or 1.9 to 2.1 times the device length of the metal oxide.
그 다음으로, 상기 센싱부 상에 전극층을 형성하는 단계이다. 상기 전극층은 Au, Pt, Cu 등의 금속을 포함하는 단층의 전극층, 또는 상기 단층의 전극층에 추가적으로 Ti, Ni, Cr등의 금속을 포함하는 다층의 전극층일 수 있다.Next, an electrode layer is formed on the sensing portion. The electrode layer may be a single-layer electrode layer containing a metal such as Au, Pt, or Cu, or a multi-layered electrode layer containing a metal such as Ti, Ni, or Cr in addition to the electrode layer of the single layer.
상기 전극층에 포함되는 금속 중 Au, Pt, 또는 Cu는 실질적으로 전극으로서 작용하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 전극층에 포함되는 금속 중 Ti, Ni, 또는 Cr는 전극층과 센서의 다른 부분과의 접합성 향상을 위해 추가적으로 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.Among the metals included in the electrode layer, Au, Pt, or Cu may function substantially as an electrode. For example, Ti, Ni, or Cr among the metals included in the electrode layer may be a metal But it is not limited thereto.
또한 상기 전극층은 스퍼터링 방법, 또는 증발 방법 등 전극 형성을 위해 통상적으로 이용되는 방법에 따라 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The electrode layer may be formed by a method commonly used for forming electrodes such as a sputtering method or an evaporation method, but is not limited thereto.
상기 제조방법을 통해 제조된 코어-쉘 구조의 나노와이어를 사용한 가스 검출 특성은 전위 장벽 조절에 의한 캐리어 이동 모델과 표면 공핍 모델의 조합으로 설명할 수 있다. 이러한 조건들의 조절을 통해서 최적의 요소들을 조합하여 가스 검출 특성이 극대화 되도록 센서를 제작할 수 있으며, 특히 최적의 쉘 층의 두께를 밝혀내고 그 원리에 대해서 설명할 수 있다.
The gas detection characteristic using the core-shell structure nanowires manufactured through the above manufacturing method can be explained by a combination of the carrier movement model by the potential barrier control and the surface depletion model. By adjusting these conditions, the sensor can be fabricated to maximize the gas detection characteristics by combining the optimum elements. In particular, the thickness of the optimal shell layer can be determined and the principle can be explained.
예를 들어, 산화인듐 코어 및 산화아연 쉘을 포함하는 나노와이어에 있어서,산화 인듐 나노와이어가 공기 중에 노출되었을 때, 산화 인듐의 전도대에 존재하는 전자들이 표면의 산소 입자에 이끌려 산소 원자에 흡착되게 된다. 그리하여, 산소 입자들은 이온 상태의 화학종인 O-,O2 -,그리고 O2 -등의 이온 형태로 변화하게 된다.For example, in a nanowire including an indium oxide core and a zinc oxide shell, when the indium oxide nanowire is exposed to air, electrons present on the conduction band of indium oxide are attracted to oxygen atoms on the surface by oxygen atoms do. Thus, oxygen particles change into ionic forms such as O - , O 2 - , and O 2 - , which are ionic chemical species.
또한, 표면에서의 산소 이온이 증가함에 따라 나노와이어의 전위 장벽 역시 증가하게 되며 그 결과 저항이 증가하게 된다. 그러나 이후 나노와이어의 표면에 에탄올 가스가 공급되게 되면 이 가스가 환원제의 역할을 수행할 수 있다. Also, as the oxygen ions on the surface increase, the potential barriers of the nanowires also increase, resulting in increased resistance. However, when the ethanol gas is supplied to the surface of the nanowire thereafter, this gas can act as a reducing agent.
에탄올 가스는 나노와이어의 표면에서 산소와 반응하여 CO2 혹은 H2O등의 가스로 변화하며, 이 과정에서 전자가 생성되어 나노와이어에 공급하게 된다. 이 전자에 의해 나노와이어 표면에 형성되었던 공핍층이 감소하여 저항은 다시 감소하게 된다. 에탄올 가스가 공급되어 나노와이어 표면에 전자를 공급하는 과정은 다음과 같다.Ethanol gas reacts with oxygen on the surface of the nanowire to form CO 2 Or H 2 O. In this process, electrons are generated and supplied to the nanowires. The depletion layer formed on the surface of the nanowire by the electrons decreases, and the resistance decreases again. The process of supplying electrons to the nanowire surface by supplying ethanol gas is as follows.
C2H5OH(gas)→ C2H5OH(ads) (1)C 2 H 5 OH (gas) → C 2 H 5 OH (ads) (1)
C2H5OH(ads)+ 6O-(ads) → 2CO2(gas)+3H2O(gas)+6e- (2)
C 2 H 5 OH (ads) + 6O - (ads) 2CO 2 (gas) + 3H 2 O (gas) + 6e - (2)
상기 결과는 나노와이어 내부의 캐리어 농도를 증가시키게 되고, 이에 따라 공핍층의 두께를 감소시킨다. 즉, 고갈된 전자들이 다시 전도대로 돌아오게 되어 센서를 구성하는 나노와이어의 저항을 감소시키게 되는 것이다. 이러한 산화 인듐 나노와이어의 산소의 흡착 특성과 매우 높은 부피 대 표면적 비는 가스 검출 특성을 매우 높여주는 특성으로 작용하게 된다.
The result is to increase the carrier concentration in the nanowire, thereby reducing the thickness of the depletion layer. In other words, the depleted electrons are returned to the conduction band to reduce the resistance of the nanowires constituting the sensor. The oxygen adsorption characteristics and the very high volume-to-surface area ratio of the indium oxide nanowire act as a property for greatly enhancing the gas detection characteristic.
도 6(a)와 도 6(b)는 산화 아연과 산화 인듐의 이종간 접합시의 평형 전 후 상태에서의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 모식도이다. 산화 인듐과 산화 아연의 전자 친화도는 각각 3.5 eV와 4.35 eV로 알려져 있다. 또한, 산화 인듐과 산화 아연의 경우 에너지 밴드 갭은 각각 3.6 eV와 3.37 eV이다. 또한 산화 인듐과 산화 아연의 Debye 길이는 각각 25 nm와 21.7 nm 이다. Figs. 6 (a) and 6 (b) are schematic diagrams showing energy band diagrams in a state of post-equilibrium bonding between the zinc oxide and the indium oxide. The electron affinities of indium oxide and zinc oxide are known to be 3.5 eV and 4.35 eV, respectively. In the case of indium oxide and zinc oxide, the energy band gaps are 3.6 eV and 3.37 eV, respectively. Debye lengths of indium oxide and zinc oxide are 25 nm and 21.7 nm, respectively.
산화 인듐과 산화 아연의 경우 정확한 페르미 레벨은 알려져 있지 않으나, 대략적인 값으로는 산화 인듐이 산화아연보다 다소 높을 것으로 판단된다. 각각의 도핑되지 않은 상태의 물질은 산화아연과 산화 인듐 모두 n 타입의 반도체 특성을 나타낸다. 양쪽 모두 n 타입인 반도체 물질인 산화 인듐과 산화 아연이 이종간 접합을 이룰 경우, 전자는 산화 인듐으로부터 산화 아연 쪽을 향해 흐르게 될 것이며, 이러한 현상은 두 물질의 페르미 레벨이 동일하게 될 때까지 일어날 것이다. In the case of indium oxide and zinc oxide, the exact Fermi level is not known, but it is estimated that indium oxide is somewhat higher than zinc oxide as an approximate value. Each undoped material exhibits n-type semiconductor properties in both zinc oxide and indium oxide. If indium oxide and zinc oxide, both semiconductor materials of n type, form a heterojunction, the electrons will flow from the indium oxide towards the zinc oxide, and this phenomenon will occur until the Fermi levels of the two materials are equal .
두 물질은 이종간 접합을 이루고 있으므로, 두 물질 사이에는 계면이 존재하고 두 물질 사이의 계면을 중심으로 에너지 장벽이 발생할 것이다. 이 부근에서는 매우 고밀도의 결함이 존재하며 이로 인하여 높은 표면 에너지가 존재하게 된다. 따라서 이 부근에서는 재료의 표면과 비슷한 수준의 에너지 증가가 나타나게 되며 이는 산화 인듐과 산화 아연의 격자 불일치로 인해 나타나게 된다. 또 다른 현상으로는 두 물질이 서로 접합하며 발생하는 전자의 구속 현상이다. 이러한 현상은 산화 인듐과 산화 아연의 접합면 양쪽 인근에서 두 물질의 계면의 표면 준위에 의해서 나타난다. Since the two materials form a hetero-junction, there is an interface between the two materials and an energy barrier will occur around the interface between the two materials. There are very dense defects in the vicinity, which results in high surface energy. Thus, energy increases similar to those on the surface of the material appear in the vicinity, which is caused by lattice mismatch between indium oxide and zinc oxide. Another phenomenon is the phenomenon of electron restraint that occurs when two substances are bonded together. This phenomenon is caused by the surface level of the interface between the two materials near both the bonding surfaces of indium oxide and zinc oxide.
상기한 바와 같이, 산화 인듐과 산화 아연의 계면 사이에서는 다음의 두 가지 현상이 나타나는데, 산화 인듐과 산화 아연 두 물질의 페르미 에너지 레벨의 차이에 의해 계면 사이를 전자가 이동하는 현상과 계면 층에서의 표면 준위에 의한 전자의 구속 현상이다. 이러한 캐리어의 구속은 계면을 사이에 두고 산화 인듐과 산화 아연 양쪽 영역에 모두 공핍층을 형성하는 요인으로 작용한다. 따라서 평형 상태의 산화 인듐과 산화 아연 접합의 실질적인 에너지 밴드 다이어그램은 도 6(c)에서 나타난 것과 같이 다결정질 실리콘의 계면에서와 비슷하게 나타나게 된다.
As described above, the following two phenomena appear between the interface between indium oxide and zinc oxide: a phenomenon in which electrons move between interfaces due to a difference in Fermi energy level between indium oxide and zinc oxide, It is a phenomenon of electron restraint by surface level. The constraint of such a carrier serves as a factor for forming a depletion layer in both the indium oxide and zinc oxide regions with the intervening interface therebetween. Thus, a substantial energy band diagram of the equilibrium indium oxide and zinc oxide junctions appears similar to that at the interface of the polycrystalline silicon, as shown in FIG. 6 (c).
따라서, 코어 쉘 구조에 있어, 저항을 변화시키는 요인은 다음의 세 가지 요인으로 설명이 가능하다. 먼저, 코어 쉘 구조의 표면에서의 공핍층과 이종간 접합부 계면에서의 공핍층의 조합으로 발생하는 공핍층이 있다. 또한, 이종간 접합에서 발생하는 전위 장벽에 의해서 발생하는 캐리어 이동의 조절 현상 및 나노와이어 사이에 발생하는 전위 장벽에 의한 캐리어 이동 조절 현상이다.
Therefore, in the core shell structure, the factors that change the resistance can be explained by the following three factors. First, there is a depletion layer generated by a combination of a depletion layer at the surface of the core shell structure and a depletion layer at the interface between the heterojunctions. In addition, it is a phenomenon of controlling the movement of carriers caused by the potential barrier generated in the heterojunction and controlling the movement of carriers due to the potential barrier generated between the nanowires.
본 발명에서는 상기 저항을 변화시키는 요인 세 가지를 바탕으로 에탄올 검출 센서의 효율을 극대화 시키는 실시예를 수행하였으며, 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
In the present invention, the efficiency of the ethanol detection sensor is maximized based on three factors that change the resistance, and the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 산화인듐/산화아연 나노와이어의 제조 & Lt; Example 1 > Preparation of indium oxide / zinc oxide nanowire
단계 1 : 금이 코팅된 Si 기판을 사용하고, 인듐 파우더를 사용하여 열 기화 증착법을 통해 산화 인듐 나노와이어를 합성하였다. Step 1: Indium oxide nanowires were synthesized by thermal vapor deposition using indium powder using a Si substrate coated with gold.
상세하게는, 먼저 산화 인듐 나노와이어를 합성하기 위하여, 3 nm의 금이 코팅 된 c 축 성장된 사파이어 웨이퍼를 기판으로 사용하였다. 이 기판은 산화 인듐 나노와이어가 성장하기 위한 지지대로 사용되었다. 3 nm의 금을 기판 위에 코팅하기 위해서는 금을 타겟으로 하는 dc 스퍼터를 사용하였다. 이후 99.99%의 순수한 인듐 파우더를 알루미나 도가니에 넣고 금이 코팅된 면을 아래로 하게 한 후 파우더가 담긴 도가니 위에 얹어 놓았다. 인듐 파우더와 사파이어 기판 사이의 거리는 약 5 mm가 되도록 하였다. 상기 도가니를 수평 석영 관상로의 중심에 장입하고, 진공을 유지하였다. 이때, 진공은 1 mTorr가 되도록 하였다. 진공을 유지하며 로의 온도를 800 ℃까지 분당 10 ℃의 승온 속도를 유지하며 승온시켰다. Specifically, in order to synthesize indium oxide nanowire, a 3 nm gold coated c-axis grown sapphire wafer was used as a substrate. This substrate was used as a support for growing indium oxide nanowires. In order to coat 3 nm of gold on the substrate, a dc sputter target was used. Then 99.99% pure indium powder was placed in an alumina crucible and the gold-coated side was placed on the crucible containing the powder. The distance between the indium powder and the sapphire substrate was about 5 mm. The crucible was charged into the center of the horizontal quartz tubular furnace, and a vacuum was maintained. At this time, the vacuum was set to 1 mTorr. The temperature of the furnace was raised to 800 DEG C while maintaining a vacuum at a heating rate of 10 DEG C per minute.
그 다음, 설정한 온도에 다다르면, 질소 100 sccm을 흘려주고, 산소 0.1 sccm을 흘려주어, 0.1 % 농도의 산소가 흐르도록 하였다. 이 때, 산소는 인듐을 산화시켜 산화 인듐이 되는 역할을 하며, 질소는 캐리어 가스의 역할을 수행한다. 급격한 반응을 억제하기 위하여, 산소의 농도는 0.1 1 %로 제어하였다. 이 반응이 일어나기 위한 압력으로는 0.5 Torr 5 Torr로 제한하였다. Then, when the set temperature was reached, 100 sccm of nitrogen was flowed and 0.1 sccm of oxygen was allowed to flow to allow oxygen to flow at a concentration of 0.1%. At this time, oxygen serves to oxidize indium to become indium oxide, and nitrogen acts as a carrier gas. In order to suppress the abrupt reaction, the oxygen concentration was controlled to 0.1 1%. The pressure for this reaction was limited to 0.5 Torr and 5 Torr.
이 상태를 1시간 동안 유지한 후, 가스의 공급을 중단하고 다시 1 mTorr의 진공을 만든 후, 로를 상온까지 냉각시켜 주었다. 냉각시에는 약 2시간 동안 로냉시켜 주었다. 상온이 되면, 관상로에 진공을 제거한 후, 시편을 꺼내었다. 시편의 금을 코팅한 부분에는 밝은 노란 빛을 띄는 뿌연 박막이 코팅되어 있음을 확인할 수 있다.
After maintaining this state for 1 hour, the supply of gas was stopped and a vacuum of 1 mTorr was again made, and the furnace was cooled to room temperature. During the cooling, it was cooled down for about 2 hours. At room temperature, the vacuum was removed from the tubular furnace, and the specimen was taken out. It can be seen that the gold coating of the specimen is coated with a cloudy thin film with bright yellow light.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 박막이 코팅된 기판을 바탕으로 원자층 증착법(ALD) 법을 사용하여 산화 아연을 코팅하였다.Step 2: Based on the thin film-coated substrate prepared in
상세하게는, 아연의 전구체로 디에틸 아연(Diethylzinc, DEZn)을 사용하였고, 산소의 원료로 DI Water를 사용하였다. 원자층 증착법을 이용한 코팅을 위해서, 두 물질을 분리하여 순차적으로 주입하였는데, 두 물질을 주입시 중간에는 질소 퍼지를 시켜 두 물질이 챔버(Chamber) 내에서 혼입되는 것을 방지하였다.Specifically, diethylzinc (DEZn) was used as a precursor of zinc and DI Water was used as a raw material of oxygen. For coating using atomic layer deposition, two materials were separated and injected sequentially. During the injection of the two materials, nitrogen purge was performed in the middle to prevent the two materials from being mixed in the chamber.
먼저, 챔버의 진공을 1 mTorr로 하고, 온도를 150 ℃로 승온한 후, 디메틸 아연을 0.15초 주입하였다. 그 다음, 질소를 3초간 퍼지한 후 DI Water를 0.2초간 주입하고, 3초간 질소 퍼지 하였다. 상기 작업이 진행되는 동안, 챔버 내의 압력은 0.1 Torr로 유지하였으며, 여러 가지 두께를 합성하기 위하여 각 10 cycle 씩 증가시키며 0 에서 100 cycle 까지 총 11개의 시편을 제작하였다.
First, the vacuum of the chamber was set to 1 mTorr, the temperature was raised to 150 캜, and then dimethylzinc was injected for 0.15 seconds. Then, nitrogen was purged for 3 seconds, DI water was injected for 0.2 second, and nitrogen purge was performed for 3 seconds. During the above operation, the pressure in the chamber was maintained at 0.1 Torr, and eleven specimens were fabricated from 0 to 100 cycles, each of which was increased by 10 cycles in order to synthesize various thicknesses.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 각 cycle로 코팅된 나노와이어를 저배율 투과전자현미경 사진 촬영을 통하여 cycle 별로 코팅된 산화아연 쉘의 두께에 대해서 조사하였다. 상기 시편의 두께 중 가장 실험에 적합한 영역대의 쉘의 두께를 추출하여 0, 30, 40, 50, 60, 70, 80 cycle의 0 nm, 17 nm, 27 nm, 34 nm, 44 nm, 53 nm 두께의 산화아연이 코팅된 나노와이어를 제조하였다.
Step 3: The thickness of zinc oxide shell coated on each cycle was examined through a low magnification transmission electron microscope photograph of nanowires coated with each cycle manufactured in
<실시예 2> 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서의 제조Example 2: Manufacture of a sensor including indium oxide / zinc oxide nanowire
실시예 1에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함하는 가스 검출 센서를 제조하기 위하여 IDE(Interdigital Electrode) 패턴 칩을 제작하였다. An IDE (Interdigital Electrode) pattern chip was fabricated to fabricate a gas detection sensor including the indium oxide / zinc oxide nanowire fabricated in Example 1.
칩의 제작을 위하여 먼저, 1 cm2의 SiO2/Si(200nmoxide)기판에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통하여 IDE 패턴을 형성하였다. 이때, 패턴의 선폭은 20 ㎛로 하였다. 패턴의 전극 재료로는 접착층으로 200 nm의 Ni와 전극층으로 50 nm의 Au를 코팅하였다. In order to fabricate chips, IDE patterns were formed by photolithography on a 1 cm 2 SiO 2 / Si (200 nm oxide) substrate. At this time, the line width of the pattern was set to 20 탆. As the electrode material of the pattern, Ni of 200 nm and Au of 50 nm were coated as an adhesive layer and an electrode layer, respectively.
상기 IDE 패턴에 상기 실시예 1에서 제조된 나노와이어를 분산시켜 채널을 형성하였고, 상기 나노와이어가 합성된 기판을 IPA(Iso Propyl Alcohol) 5ml와 DI Water 5ml 혼합용액에 넣고 30초간 초음파 교반하였다. 그 다음, 나노와이어가 교반된 현탁액 1 ml를 IDE 칩에 떨어뜨린 후 건조시켰다. 이 후, IDE 패턴 사이에 나노와이어가 다중 연결되어 채널을 형성하였으며, 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서를 완성하였다.
The nanowires prepared in Example 1 were dispersed in the IDE pattern to form a channel. The nanowire-synthesized substrate was placed in a mixed solution of 5 ml of IPA (Iso Propyl Alcohol) and 5 ml of DI Water, followed by ultrasonic agitation for 30 seconds. Then, 1 ml of the nanowire-agitated suspension was dropped on an IDE chip and then dried. After that, the nanowires were connected to each other to form a channel between the IDE patterns, and a sensor including indium oxide / zinc oxide nanowires was completed.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1에서 단계 1만을 수행하여 산화인듐 나노와이어를 합성하였다.
Only the
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
상기 실시예 2에 있어서, 상기 비교예 1에서 제조된 산화인듐 나노와이어를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 수행하여 산화인듐이 포함된 센서를 완성하였다.
A sensor including indium oxide was completed in the same manner as in Example 2, except that the indium oxide nanowire produced in Comparative Example 1 was used.
<실험예 1> 산화 인듐/산화 아연 나노와이어의 물성 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Analysis of physical properties of indium oxide / zinc oxide nanowire
상기 실시예 1에서 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어의 형상을 관찰하기 위해, 주사전자현미경을 통해 분석하였으며, 이를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 산화인듐/산화아연 나노와이어는 약 150 nm의 직경과 10 내지 30 ㎛의 길이를 갖는 것을 확인할 수 있다.
In order to observe the shape of the indium oxide / zinc oxide nanowire fabricated in Example 1, it was analyzed by a scanning electron microscope, and it is shown in FIG. As shown in FIG. 1, the indium oxide / zinc oxide nanowire has a diameter of about 150 nm and a length of 10 to 30 μm.
또한, 상기 나노와이어의 겉보기 형상만을 파악할 수 있는 한계가 있어 투과전자현미경을 통하여 분석하였으며, 이를 도 2에 나타내었다. In addition, there is a limitation that only the apparent shape of the nanowire can be grasped and analyzed through a transmission electron microscope, which is shown in FIG.
도 2(a)는 저배율 투과전자현미경 사진을 나타낸 것으로, 코어 쉘 구조의 나노와이어 형태를 관찰할 수 있다. 또한, 도 2(b)는 고배율 투과전자현미경 사진을 나타낸 것으로 산화인듐층과 산화아연층이 확연하게 구별되어있는 것을 확인할 수 있으며, 두 층의 계면을 기점으로 서로 다른 격자 패턴이 나타나 있고, 산화아연층은 다결정, 산화인듐층은 단결정으로 형성되었음을 확인할 수 있었다. 격자 패턴의 경우 산화 인듐층은 0.413 nm, 0.292 nm의 격자간 거리를 보였으며, 이는 (211), (222)의 산화 인듐 면을 나타낸다. 반면에, 산화 아연층은 0.248 nm의 (101)면을 나타내는 것이 확인할 수 있다.FIG. 2 (a) shows a low-magnification transmission electron microscope photograph showing nanowire patterns of a core-shell structure. FIG. 2 (b) shows a high magnification transmission electron microscope photograph showing that the indium oxide layer and the zinc oxide layer are clearly distinguished from each other, and a different lattice pattern appears from the interface between the two layers, The zinc layer was polycrystalline and the indium oxide layer was single crystal. In the case of the lattice pattern, the indium oxide layer showed an interstitial distance of 0.413 nm and 0.292 nm, which represents the indium oxide plane of (211) and (222). On the other hand, it can be confirmed that the zinc oxide layer exhibits a (101) plane of 0.248 nm.
이어서, 상기 나노와이어의 결정이 어떤 형태로 구성되어 있는지 확인하기 위하여, 제한 시야 전자빔 회절(SAED, Selected Area Electron Diffraction)분석 하였으며, 이를 도 2(c)에 나타내었다. 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 잘 정렬된 점과 링 형태의 선이 나타났는데, 각각의 점은 산화 인듐을 나타낸 것이고, 링은 산화 아연을 나타낸다. 산화 아연의 경우 다결정질로 형성되어 링 형태의 결과를 나타내었다.
Then, in order to check the shape of the nanowire crystals, SAED (Selected Area Electron Diffraction) analysis was performed and this is shown in FIG. 2 (c). As shown in Fig. 2 (c), well-aligned dots and ring-shaped lines appear, each point representing indium oxide and the ring representing zinc oxide. In case of zinc oxide, it was formed as polycrystalline and showed ring shape result.
또한, 상기 산화인듐/산화아연 나노와이어가 물질의 산화 아연 코팅 전 후에 어떠한 결정 변화가 나타나는지에 대해서도 확인하기 위해 X-선 회절분석을 하였으며, 상기 나노와이어의 XRD 패턴을 도 3에 나타내었다. 도 3의 그래프에 나타나 있는 대부분의 XRD 패턴 피크는 JCPDS No. 89-4595의 BCC 산화인듐(In2O3)을 나타내는 피크이다. 또한 JCPDS No.89-1397의 산화아연(ZnO) 피크도 나타났으며, 이는 산화 인듐이 코어를 이루고 산화 아연이 쉘을 이루는 구조 때문인 것으로 판단할 수 있다.
Also, an X-ray diffraction analysis was performed to confirm the crystal change of the indium oxide / zinc oxide nanowire before and after the zinc oxide coating of the material, and the XRD pattern of the nanowire is shown in FIG. Most of the XRD pattern peaks shown in the graph of Fig. A peak showing a BCC indium oxide 89-4595 (In 2 O 3). Also, a zinc oxide (ZnO) peak of JCPDS No. 89-1397 appeared, which can be judged to be due to the structure of indium oxide as a core and zinc oxide as a shell.
<실험예 2> 에탄올 검출 특성 시험.≪ Experimental Example 2 >
본 발명에 따라 제조된 센서를 사용하여 에탄올 가스 검출 특성을 알아보기 위하여, 상기 실시예 2에서 제조된 0 nm, 17 nm, 27 nm, 34 nm, 44 nm, 53 nm 두께의 산화아연/나노와이어를 기반으로 한 센서를 1000 ppm의 에탄올 가스에 대하여 반응성 조사를 수행하였다. 상기 실험의 온도를 300 ℃로 승온시켰고, 습도를50 %RH로 제어하였으며, 검출 반응 특성을 위해 공급한 에탄올 가스는 1000 ppm, 200 sccm으로 유지하였다. 회복시에는 200 sccm의 공기를 주입하였다. In order to investigate the ethanol gas detection characteristics using the sensor manufactured according to the present invention, the zinc oxide / nano wire having the thicknesses of 0 nm, 17 nm, 27 nm, 34 nm, 44 nm and 53 nm Were investigated for the reactivity of ethanol gas at 1000 ppm. The temperature of the experiment was raised to 300 ° C., the humidity was controlled to 50% RH, and the ethanol gas supplied for the detection reaction characteristics was maintained at 1000 ppm and 200 sccm. At rest, 200 sccm of air was injected.
상기 분석결과를 도 4에 나타내었으며, 도 4(a) 및 (b)는 산화인듐/산화아연 나노와이어의 쉘의 두께 변화에 따른 검출 반응 특성의 변화를 나타낸 그래프이다. The results of the analysis are shown in FIG. 4, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) are graphs showing changes in the detection reaction characteristics depending on the thickness of the shell of the indium oxide / zinc oxide nanowire.
상기 도 4의 그래프에 따르면, 산화 인듐의 에탄올 가스 검출 능력은 나노와이어 표면에 코팅된 산화 아연의 두께에 매우 민감하게 의존한다는 것을 알 수 있다. 이는 산화 아연층에 형성되는 공핍층의 크기가 코팅층의 두께에 따라 달라지기 때문으로 추정할 수 있다.According to the graph of FIG. 4, it can be seen that the ability of the indium oxide to detect ethanol gas is highly sensitive to the thickness of the zinc oxide coated on the surface of the nanowire. It can be assumed that the size of the depletion layer formed in the zinc oxide layer changes depending on the thickness of the coating layer.
또한, 상기 실험에서 가장 높은 반응성을 나타낸 코팅층은 두께가 약 44 nm일 때로 나타났으며, 이 두께는 산화 아연의 디바이(Debye) 길이의 두 배와 거의 근접한 길이에 해당한다. 산화 아연의 디바이(Debye) 길이(D)는 약 21.7 nm이며, 따라서 이 길이의 2배인 43.4 nm는 코팅된 두께인 44 nm와 0.6 nm정도와 차이가 나는 거의 같은 두께라 할 수 있다. 상기 결과는 코어 쉘 구조에 있어 가장 높은 반응성을 나타내는 쉘의 두께가 Debye 길이의 2배에서 나타난다는 것을 강하게 나타낸다. 즉, 코어쉘 구조의 나노와이어에서 가스의 공급시 Debye 길이의 2배 만큼의 두께에서 표면의 공핍층이 극대화되는 것을 알 수 있다.
Also, the coating layer exhibiting the highest reactivity in the above experiment was found to be about 44 nm in thickness, and this thickness corresponds to a length nearly twice the Debye length of zinc oxide. The Debye length ( D ) of zinc oxide is about 21.7 nm, so 43.4 nm, twice this length, can be about the same thickness, which is different from the coated thickness of 44 nm and 0.6 nm. The results strongly indicate that the thickness of the shell exhibiting the highest reactivity in the core shell structure appears at twice the Debye length. In other words, it can be seen that the depletion layer of the surface is maximized at a thickness twice as large as the Debye length when the gas is supplied from the core-shell nanowire.
상기 수행한 결과를 분석하여 44 nm의 두께일 때 최적의 검출 반응이 나타난다는 결과를 바탕으로, 비교예 2에서 제조된 단순 합성된 산화인듐 나노와이어를 포함하는 센서와 실시예 2에서 제조된 44 nm 두께의 산화아연이 코팅된 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서를 이용하여 여러 가지 농도의 에탄올 가스에 대하여 가스 검출 반응 특성을 분석하였으며, 이를 도 5 및 표 1에 나타내었다.Based on the results of the above analysis, it was found that the optimum detection reaction occurs at a thickness of 44 nm, and the sensor including the simple synthesized indium oxide nanowire prepared in Comparative Example 2 and the 44 The gas detection reaction characteristics of various concentrations of ethanol gas were analyzed using a sensor including indium oxide / zinc oxide nanowire coated with zinc oxide nanometer thick, which is shown in FIG. 5 and Table 1.
도 5(a)는 단순 합성된 산화인듐 나노와이어, 도 5(b)는 산화인듐/산화아연 나노와이어를 포함한 센서의 에탄올 검출 반응 특성을 나타낸 그래프이다. FIG. 5 (a) is a graph showing the ethanol detection reaction characteristics of a sensor including a simple synthesized indium oxide nanowire and FIG. 5 (b) showing an indium oxide / zinc oxide nanowire.
상기 검출 반응 실험을 하기 위해 챔버(chamber)의 온도를 300 ℃로 유지하였고, 검출 반응을 위해 공급한 에탄올 가스의 농도는 200, 400, 600, 800, 1000 ppm으로 하였다. 각각의 에탄올 가스 공급시 저항이 감소하는 변화를 나타내었고, 이후 공기 가스를 흘려주어 회복시켰을 때, 저항이 다시 원 상태로 증가하여 복귀하는 특성을 나타내었다. 검출 반응을 반복해도 회복시에는 그 저항이 초기 상태로 회복되며, 히스테리시스 현상을 나타내지는 않았다.
In order to perform the detection reaction experiment, the temperature of the chamber was maintained at 300 ° C. and the concentration of ethanol gas supplied for the detection reaction was 200, 400, 600, 800 and 1000 ppm. The resistance was decreased when the ethanol gas was supplied, and when the air gas was flown afterwards, the resistance returned to the original state and returned to the original state. Even if the detection reaction was repeated, the resistance recovered to the initial state at the time of recovery, and the hysteresis phenomenon was not exhibited.
(단순 산화인듐 나노와이어)Comparative Example 2
(Simple oxide indium nanowire)
(산화인듐/산화아연 나노와이어)Example 2
(Indium oxide / zinc oxide nanowire)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 가스 검출의 반응성을 확인하기 위하여 정의한 계산 식은 (Ra/Rg)*100%로 하였으며, 이 때, Ra는 공기를 공급할 때의 저항, Rg는 실험 가스를 공급하였을 때의 저항을 나타낸다.
As shown in Table 1, defined by calculating the expression (R a / R g) was a * 100% In order to confirm the reactivity of the gas is detected, this time, R a is the resistance, R g when the supply air is experimental gas Is shown in Fig.
도 5 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 단순 합성된 산화 인듐 나노와이어를 포함한 센서인 비교예 2는 에탄올 가스의 농도가 200 ppm에서 1000 ppm 까지 변화함에 따라 약 750 내지 3000 % 의 변화 값을 나타내었다. 반면, 실시예 2인 산화 인듐/산화아연 쉘의 나노와이어를 포함한 센서는 1,880 내지 19620 %의 변화를 나타내었다. 상기 결과를 통해 산화 아연층의 유무에 따라, 나노와이어의 에탄올 가스 검출 능력은 1000 ppm일 때를 기준으로 약 6배 이상의 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 5 and Table 1, Comparative Example 2, which is a sensor including a simple synthesized indium oxide nanowire, showed a change of about 750 to 3000% as the concentration of ethanol gas changed from 200 ppm to 1000 ppm . On the other hand, the sensor including the nanowire of the indium oxide / zinc oxide shell of Example 2 showed a change of 1,880 to 19620%. From the above results, it can be confirmed that the ethanol gas detection ability of the nanowire is about 6 times or more based on the presence of the zinc oxide layer at 1000 ppm.
또한, 본 발명에 따라 제조된 산화인듐/산화아연 나노와이어는 기존의 단순 합성된 산화인듐 나노와이어 또는 산화아연 나노와이어가 나타내는 에탄올 검출 특성의 한계 이상의 검출 특성을 나타내게 되며, 최적의 코팅층을 및 코어 쉘 구조의 제작에서 쉘의 두께를 결정하는 최적의 두께를 알아낼 수 있었다. 또한, 기존의 학설에서 주장하던 최적의 두께보다 실질적으로 최적의 두께가 더 두껍다는 것을 알아내어 더욱 증대된 기능의 가스 검출 센서를 제조할 수 있다.In addition, the indium oxide / zinc oxide nanowire produced according to the present invention exhibits a detection characteristic that is higher than the limit of the ethanol detection characteristic of conventional simple synthesized indium oxide nanowire or zinc oxide nanowire, The optimal thickness for determining the thickness of the shell in the fabrication of the shell structure was found. Further, it is possible to manufacture a gas detection sensor with a further enhanced function by finding that the optimum thickness is substantially thicker than the optimum thickness claimed in the existing theory.
더 나아가 산화인듐 코어와 산화아연 쉘을 이용하여 에탄올 가스 검출 이외, 다른 물질과 다른 가스를 연구함에 있어서도 새로운 쉘의 두께를 이용할 경우 더욱 증대된 가스 검출 센서를 제작 가능할 것으로 기대할 수 있다. Furthermore, in the study of other gases and other gases other than ethanol gas detection using indium oxide core and zinc oxide shell, it is expected that a further increased gas detection sensor can be produced by using a new shell thickness.
Claims (10)
상기 기재 상에 형성된 산화인듐(In2O3)을 포함하는 코어(core), 및 산화아연(ZnO)을 포함하는 쉘(shell)로 이루어진 코어-쉘 나노와이어(nanowire); 및
상기 코어-쉘 나노와이어 상에 전극층을 포함하며,
상기 나노와이어 중 쉘의 두께는 쉘 디바이 길이(Debye length)의 1.1 내지 2.9 배인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서.
materials;
A core-shell nanowire comprising a core comprising indium oxide (In 2 O 3 ) formed on the substrate and a shell comprising zinc oxide (ZnO); And
And an electrode layer on the core-shell nanowire,
Wherein the thickness of the shell of the nanowire is 1.1 to 2.9 times the Debye length.
2. The sensor of claim 1, wherein the thickness of the shell has a value of 1.5 to 2.5 times the shell device length.
2. The sensor of claim 1, wherein the thickness of the shell has a value of 1.9 to 2.1 times the shell device length.
The method of claim 1, wherein the sensor comprising the core-shell nanowire comprises at least one of hydrogen (H 2 ) , carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), ammonia (NH 3 ), methanol (CH 3 OH) 2 H 5 OH), propane (C 3 H 8 ), hydrogen sulfide (H 2 S), benzene, dimethylamine, triethylamine, toluene and xylene Wherein the sensor detects at least one gas selected from the group consisting of the core-shell nanowires.
상기 코어 상에 산화아연(ZnO)을 포함하는 쉘을 형성함으로써 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센싱부를 형성하는 단계 (단계 2); 및
상기 센싱부 상에 전극층을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하며,
상기 쉘의 두께는 쉘 디바이 길이의 1.1 내지 2.9 배의 값인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 나노 와이어를 포함하는 센서의 제조 방법.
Forming a core containing indium oxide (In 2 O 3 ) on the substrate (step 1);
Forming a sensing portion including the core-shell nanowire by forming a shell containing zinc oxide (ZnO) on the core (Step 2); And
And forming an electrode layer on the sensing unit (step 3)
Wherein the thickness of the shell is 1.1 to 2.9 times the shell device length.
8. The method of claim 7, wherein the shell of step 2 is formed through atomic layer deposition.
8. The method of claim 7, wherein the thickness of the shell is controlled through the number of cycles (number of cycles) of atomic layer deposition.
8. The method of claim 7, wherein the thickness of the shell is 1.5 to 2.5 times the shell length.
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JP2012522242A (en) | 2009-03-31 | 2012-09-20 | インダストリアル コーペレーション ファウンデーション チョンブク ナショナル ユニバーシティー | Thin film type highly active gas sensor using core-shell structured composite nanoparticles as sensor material and method for producing the same |
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