Exothermic chemical reactions occurring on the surface of catalyst such as oxidation reaction of carbon mo-noxide, can dissipate chemical energy by electronic excitation, leading to generation of energetic charge carriers. Since the heat capacity of the electron is smaller than that of the metal surface lattice, electron can absorb the chemical energy in shorter time scale (~femtosecond) than the lattice (~picosecond). Excited electrons with 1??3 eV kinetic energies that have elastic mean free paths in the metals in the range of ~10 nm. These energetic charge carriers are often called “hot” or “ballistic” charge carriers, and can be detected upon excitation of metal electrons by photons. This flow of hot electron can be measured by the metal-semiconductor catalytic nanodi-ode device.
In this research, the Pt/TiO2 and Pt/Si catalytic nanodiodes are fabricated by semiconductor process such as PECVD, magnetron sputtering, and e-beam evaporation. Metal shadow mask is made for device alignment in device fabrication process. Catalytic reactor with electrical measurement was constructed to probe the hot elec-tron flow and turnover rate simultaneously during exothermic catalytic reaction. Relationship between hot elec-tron flow and turnover rate of catalytic reaction has been studied. Catalytic nanodiode will be applied as chemi-cal sensor for catalytic reaction such as CO oxidation reaction. In the opposite way, turnover rate of chemical reaction may be tuned by controlling hot electron flow of catalytic nanodiode. This study suggests that chemical energy and electrical energy can be converted to each other by metal-semiconductor nanodiode device
핫전자는 발열반응이나 빛 에너지와 같은 외부 에너지원에 의해 금속 표면에서 여기된 전자를 일컫는다. 외부 에너지가 금속 표면에 가해지면 금속 표면 격자의 열용량보다 전자의 열용량이 작기 때문에 표면 격자(~picosecond)보다 더 빠르게(~femtosecond) 에너지를 흡수하여 금속 표면에서 여기되어 전자가 높은 에너지를 가지게 된다. 이러한 높은 에너지를 가지는 전자가 핫전자라고 불리우며, 핫전자의 흐름 (화학전류)는 금속박막과 반도체로 이루어진 촉매 나노다이오드를 이용하여 측정이 가능하다.
본 연구에서는 반도체 공정을 이용하여 촉매 나노다이오드를 제작하고 이를 이용하여 핫전자의 흐름을 측정하고자 한다. 촉매 나노다이오드는 PECVD, sputtering, e-beam evaporation 등의 반도체 공정을 이용하여 제작될 것이며, 소자의 patterning을 위한 metal shadow mask이 제작, 소자 공정에 이용할 것이다. 나노다이오드에서 얻어질 촉매의 활성도와 핫전자의 측정을 위해서 전기적 측정이 결합된 화학촉매반응기가 제작될 것이다. 또한 촉매 반응을 화학적으로 검출하여 핫전자의 흐름과 촉매반응이 활성도의 상관관계를 조사할 것이다. 또한 나노다이오드의 전압을 바꿈으로써 핫전자의 흐름을 제어하여 화학촉매의 활성도의 영향이 조사될 것이다. 촉매 나노다이오드는 화학 반응 센서로의 응용이 가능하며, 거꾸로 핫전자의 제어를 이용하여 화학 반응의 활성도를 제어할 수 있는 가능성을 제시한다.
