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Optimization of ZnO-based transparent electrode and thermoelectric materials for harvesting wasted heat = 산화 아연계 투명전극 및 폐열 회수를 위한 열전 재료 최적화
서명 / 저자 Optimization of ZnO-based transparent electrode and thermoelectric materials for harvesting wasted heat = 산화 아연계 투명전극 및 폐열 회수를 위한 열전 재료 최적화 / Gil-Ho Kim.
저자명 Kim, Gil-Ho ; 김길호
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Zn1-xBxO (0≤x≤0.04) thin films were deposited by liquid source misted chemical vapor deposition (LSMCD) method. The thin films were polycrystalline with grain sizes of 16nm to 22nm. The structural, optical, and electrical properties were investigated by X-ray diffraction, UV-visible spectrophotometer, Raman spectros-copy, and Hall effect measurement. Also scanning electron (SEM) and atomic force microscopy (AFM) tech-niques were used in order to determine the morphological and topological characteristics of the films. The op-timal result of Zn1-xBxO films was obtained at x=0.02, with low resistivity??10-2Ωcm, and high transmittance of 85% in the visible light spectrum (300nm~800nm). A liquid source misted chemical vapor deposition method was used to deposit Zn0.98B0.02O1 yFy (0≤y≤0.1) thin films. X-ray diffraction studies demonstrate that Zn0.98B0.02O1-yFy thin films have a wurtzite crystal structure. Analogously to these studies, the scanning electron micrographs show that the grain size tends to increase as the fluorine content is increased. The optimal result of the Zn0.98B0.02O1-yFy films was obtained at y = 0.06, with a low resistivity level of about 10-2 Ωcm and a high transmittance rate of 90% in the visible light spectrum (300 nm-800 nm). First-principles calculations reveal the electric structure of the boron and fluorine-doped ZnO. The Fermi level of ZnO is located at the valence band maximum and then shifts to the conduction band, where it exhibits n-type metallic behavior. We propose that the substitution of boron and fluorine in the ZnO lattice has positive effects in terms of increasing the free electron density and crystallinity of thin film, and that these effects improve the optical and electrical properties. A nanocomposite of ZnO and multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) was fabricated by means of liq-uid source misted chemical deposition: specifically, a ZnO precursor solution containing carbon nanotubes (CNTs) was reformed to micron-sized mist by a piezoelectric actuator. This simple, cost-effective, one-step me-thod can be used to integrate CNTs with other oxide nanomaterials. X-ray diffraction results indicate that the ZnO-MWNT nanocomposite has a random orientation due to the random alignment of the MWNTs; and scan-ning electron microscopy results indicate that the well-dispersed MWNTs are decorated by ZnO nanospheres. The I-V behavior reveals that the ZnO-MWNT nanocomposite has higher mobility and lower resistivity when illuminated with ultraviolet light (λ=365 nm, E=3.48 eV). Carbon nanotubes (CNT) either single wall carbon nanotube (SWNT) or multiwall carbon nanotube (MWNT) can improve the thermoelectric properties of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), but it requires addition of CNT by 30 ?? 40 wt%. We report that the figure of merit (ZT) value of PEDOT:PSS thin film was increased about 2.8 times by incorporating 2 wt% of graphene. PEDOT:PSS thin films containing 1, 2, 3 wt% graphene were prepared by solution spin coating method. X-ray photoelectron spec-troscopy (XPS) and Raman spectroscopy analyses indicated that strong π-π interaction between graphene and PEDOT:PSS facilitated the dispersion of graphene in PEDOT:PSS increased the interfacial area between gra-phene and PEDOT:PSS by 2-10 times as compared with CNT based on the same weight. The power factor and ZT value of PEDOT:PSS thin film containing 2wt% graphene was 11.09W/mK and 0.024, respectively. This enhancement is arising from the facilitated carrier transfer between PEDOT:PSS and graphene as well as the high electron mobility of graphene (200,000cm2V-1s-1). Furthermore the porous structure of thin film decrease the thermal conductivity resulting in high ZT value, which is higher by 20% than PEDOT:PSS thin film contain-ing 35wt% SWNT.

LSMCD 방식을 이용하여 Zn1-xBxO 박막들을 제조하였다. Zn1-xBxO는 다결정이며 Grain 의 크기는 16nm에서 22nm이다. XRD에 의한 구조 분석, UV visible spectrophotometer에 의한 광학적인 특성을 규명하였다. Boron atom이 ZnO 구조 내에 치환되면서 XRD상의 Peak 세기가 감소되었으며, (002)면으로의 성장성은 점차적으로 줄어 들었다. 박막의 Grain size는 boron에 의해 점차적으로 작아 졌다. 이는 boron atom에 의해 ZnO의 성장이 억제 되기 때문이다. AFM에 의한 표면 거칠기는 점차적으로 감소하였다. 투과도은300nm에서 800nm 의 가시광선 영역에서 측정되었으며 전체적으로 80% 이상이다. Hall effect measurement을 이용하여 박막의 Carrier concentration, mobility 및 resistivity을 각각 측정하였다. Boron atom의 electron donor로써 Carrier concentration는 boron 2at%까지 증가하지만, ZnO의 grain size가 작아 짐에 따라 grain boundary가 넓어지면서, 이는 electron이 trap 되는 trap density을 증가 시켜, carrier concentration 을 감소 시키는 결과를 야기한다. 박막의 mobility는 ionized impurity atom인 boron atom에 의해 scattering center가 증가되어 mobility는 감소 한다. LSMCD 방식에 의해 Zn0.98B0.02O1-yFy 박막을 제조하였다. Fluorine의 경우 이온 반경이 F-(133pm)로 O2-(140pm)과 유사하며 격자내의 산소 이온과의 치환에 따른 구조 붕괴가 적을 뿐만 아니라 Free electron을 생성시켜 Carrier concentration을 증가 시킨다. 박막의 투과도은 90%이상이며, 광학 에너지 레벨은 점차적으로 증가했다. 박막의 비 저항은 Fluorine이 6at%의 경우 10-3Ωcm의 값을 얻을 수 있었다. Boron 및 Fluorine는 ZnO에 긍정적은 효과를 나타낸다. 이러한 치환 효과에 의한 광학 및 전기적인 특성이 향상되었다. ZnO/MWNT 박막이 LSMCD 방식을 이용하여 제조 되었다. ZnO의 크기는 MWNT에 의해 20-30nm 정도로 감소 되었으며, 구형의 ZnO particle이 형성되었다. XRD 구조 분석 결과 ZnO 박막의 경우 유리 기판 위에 (002) 면으로 성장성을 가지며, 이는 c-축으로 박막이 성장함을 의미한다. ZnO/MWNT 박막의 경우 ZnO의 모두 면에서 Peak이 나타나고 있으며, 이는 ZnO의 성장성을 MWNT에 의해 억제되기 때문이다. 이로 인해 ZnO의 (002)면으로 성장성이 나타나고 있다. 박막의 특성 평가를 위해 유리 기판 위에 ITO 박막을 300nm 증착하여 Bottom 전극으로 사용하였으며, ZnO 및 ZnO/MWNT 박막을 증착 시켰다. I-V 측정 결과 ITO 박막은 Ohmic behavior를 나타내고 있으며, ZnO 및 ZnO/MWNT는 저항 특성이 감소 하였다. ZnO 박막에 UV light (356nm, 254nm)을 가했을 때 전기 특성은 향상 됨을 알 수 있으며, 이는 ZnO의 Bandgap energy (3.2eV) 보다 강한 에너지를 (254nm, 4.89eV) 가함으로 Valance band의 electron이 Conducting band로 여기 되어 Carrier concentration이 증가 되기 때문이다. ZnO/MWNT 박막의 경우 ZnO와 유사한 Bandgap energy의 UV light (356nm, 3.49eV)가 가해 졌음에도 불구하고 전기 전도도는 증가함을 알 수 있다. 이는 ZnO와 상이한 결과이며, Hall effect system을 이용하여 Carrier concentration 및 Mobility를 측정하였다. MWNT에 의해 Mobility가 빨라짐을 알 수 있다. 이는 ZnO에 의해 생성된 electron이 MWNT에 전이됨에 따라 mobility가 빨라진다. CNT(SWNT 및 MWNT)는 PEDOT:PSS의 열전 특성을 향상 시키는 장점이 있지만, 우수한 열전특성을 가진 박막을 제조하기 위해서는 30-40 wt% CNT 첨가가 필요 한다. 본 실험은 소량의 Graphene 첨가만으로 PEDOT:PSS 박막의 열전 특성을 향상 시킬 수 있음을 보고한다. Graphene (1, 2, 3wt%) 첨가된 PEDOT:PSS 박막은 spin coater을 이용한 solution 방식으로 제조되었다. XPS 및 Raman 분석 결과 Graphene과 PEDOT:PSS는 강력한 π-π 결합이 형성되어 안정적 분산이 가능하여 소량의 Graphene (1, 2, 3 wt%) 만으로 CNT (SWNT 및 MWNT)의 2-10배까지 넓은 면적을 cover할 수 있다. Graphene 2 wt% 포함된 박막의 Power factor는 1.09W/mK 이며 ZT값은 0.024이다. 이는 균일하게 분산된 Graphene의 표면과 PEDOT:PSS 사이의 강력한 π-π 결합으로 carrier의 transfer가 쉬워질 뿐만 아니라 Graphene의 빠른 carrier mobility (200,000cm2V-1s-1)에 기인한 결과이다. Graphene에 의해 증가할 수 있는 thermal conductivity는 porous structure 을 가진 well-stacked multi-layer 구조에 의해 제한될 수 있다. 이러한 구조는 phonon scattering에 의해 thermal conductivity을 감소시킬 수 있다. 이 ZT값은 35wt% SWNT: (PEDOT:PSS) 박막의 ZT=0.02 비해 20% 향상된 값이다. Graphene는 PEDOT:PSS의 열전 특성을 증가 시킬 수 있을 뿐만 아니라 첨가되는 양을 획기적으로 낮출 수 있는 특성을 가지고 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 11017
형태사항 ix, 137p : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김길호
지도교수의 영문표기 : Seong-Ihl Woo
지도교수의 한글표기 : 우성일
수록잡지명 : "Structural, electrical and optical properties of boron doped ZnO thin films using LSMCD method at room temperature". Applied Physics A Materials Science & Processing, v. 97, no 4, pp. 821-828(2009)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p.128-129
주제 ZnO
Transparent Electrodes
Thermoelectric materials
PEDOT:PSS
Graphene
산화아연
투명 전극
열전 물질
PEDOT:PSS
그래핀
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