A semiconductor metal oxide (SMOs)-based gas sensor has been investigated due to their high sensitivity to harmful gases in atmosphere. Especially, the developments of nanotechnology enable the fabrication of SMOs into nanostructure with higher gas sensing performance. However, there are still limitation to utilize SMOs -based gas sensor such as low gas selectivity due to high gas sensitivity to various gases and high operating temperature requirements. In order to address such issues of SMOs, various chemical and structural approaches have been suggested and applied. In this thesis, I report the fabrication strategy for room temperature gas sensor using 3D hierarchical nanostructure and the base research on surface and structure engineering of SMOs for improving gas sensing ability of SMOs. The comprehensive study for better understanding the role of catalyst on metal oxide is reported with enhanced gas sensing performance with noble metal nanoparticles and graphene quantum dots. In the structural respects, the light-absorption enhancement for photo-activated room temperature gas sensing was achieved by structural engineering of periodic 3D nanostructure. With the integration to micro-LED device, realizing fabrication of low power consumption light-activated gas sensor. As a conclusive work, 3D ZnO/ZIF-8 hierarchical nanostructure is fabricated in ordered periodic nanostructure. The gas filter behavior of metal-organic framework at the surface of metal oxide was demonstrated for high gas selectivity and sensitivity. The high-performance photo-activated room temperature gas sensor were fabricated as optimized 3D nanostructure with catalytic metal-organic framework.
반도체 금속 산화물 기반 가스 센서는 대기 중 유해 가스들을 효과적으로 감지할 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 나노 기술의 발전 덕분에 금속 산화물을 3차원 나노 구조체 형태로 제작, 가스 센서에 적용하여 고성능 가스 센서들이 등장하고 있다. 하지만 다양한 가스 반응으로 인한 가스 선택성 저하 및 높은 구동 온도로 인해 금속 산화물 기반 가스 센서의 사용이 제한적이다. 이를 해결하기 위해 다양한 화학적, 구조적 접근이 제안되어 센서 분야에서 적용되고 있다. 본 학위 논문에서는 3차원 계층적 나노 구조를 이용한 상온 가스 센서 제조 전략과 이를 위한 금속 산화물의 표면 및 구조 제어에 관한 기초 연구를 보고한다. 금속 산화물 위 다양한 촉매 (금 나노 입자, 그래핀 양자점)의 향상 메커니즘에 관한 포괄적인 연구를 포함한다. 광활성에 유리한 정렬된 3차원 금속 산화물 구조를 마이크로-LED 기판에 적용하여 저전력 하 구동 가능한 광활성 상온 가스 센서의 제작을 보고한다. 최종장으로써, 정렬된 3차원 금속산화물 구조체의 표면에 금속-유기 골격체를 합성하여 정렬된 3차원 계층 구조형 다공성 구조체 기반 가스 센서의 제작을 보고한다. 금속 산화물 표면의 금속-유기 골격체의 가스 필터 거동과 이를 통한 가스 선택성 및 반응성의 동시 향상 결과를 포함한다. 이를 통해 3차원 금속 산화물 나노 구조체의 표면 및 구조 제어를 통한 고성능 광활성 상온 가스 센서를 보고하고자한다.
