[논문 리뷰] Effects of Sol concentration on the structural and optical properties of SnO2 Nanoparticle

Ali Reza Razeghizadeh, Lila Zalaghi외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 01.

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 고체-액체 방법을 통해 합성된 SnO2 나노입자에서 용액 농도(0.1–0.5 M)가 구조적 및 광학적 성질에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 용액 농도를 낮추면 입자 크기가 감소(74.8 nm에서 11.7 nm로)하고, 밴드 갭이 증가(4.07 eV에서 4.36 eV로)하며, 양자 혼입 효과로 인해 흡수 경계가 파란 빛으로 이동하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

In this paper, the effects of changes in Sol concentration on the structural and optical properties of SnO2 Nanoparticles are studied through the Sol-Gel method. SnO2 Nanoparticles are produced from different SnO2 solution concentrations (0.1, 0.3 and 0.5 mol/L) at room temperature. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analysis is used to investigate the effects of changes in Sol concentration on the crystalline and surface morphology of Nanoparticles. The XRD pattern shows that the particles are in the standard tetragonal phase of SnO2. The crystallites size are 11.7nm, 18.8nm, and 74.8nm, for 0.1 M, 0.3M and 0.5 M of concentration respectively. The average size of SnO2 particles decreases by a reduction in the Sol concentration. The band gap value is 4.07ev, 4.28ev and 4.36ev for 0.1M, 0.3M and 0.5M of concentration respectively. The UV-visible analysis shows that decreasing the Sol concentration will cause the absorption edge shift to the shorter wavelengths, because decreasing the Sol concentration will reduce the Nanoparticles size, and smaller Nanoparticles size absorb shorter wavelengths better and also increase the band gap.

연구 동기 및 목표

• 용액 농도가 SnO2 나노입자의 구조적 및 광학적 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 전구체 농도 변화가 실-겔 방법으로 합성된 SnO2의 결정립 크기 및 형태에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 입자 크기 변화와 광학 밴드 갭 변화 및 흡수 경계 이동 간의 상관관계를 규명하는 것.
• SnO2 나노입자에서 원하는 광학적 및 구조적 특성을 확보하기 위해 용액 농도를 최적화하는 것.

제안 방법

• 실온에서 다양한 SnO2 전구체 농도(0.1, 0.3, 0.5 mol/L)를 사용하여 실-겔 방법으로 SnO2 나노입자를 합성하는 것.
• Scherrer 식을 사용하여 결정상 및 결정립 크기를 결정하기 위해 X선 회절(XRD) 분석을 수행하는 것.
• 표면 형태 및 입자 크기 분포를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용하는 것.
• 광학 밴드 갭 측정 및 흡수 경계 이동 분석을 위해 자외선-가시광선 분광법을 사용하는 것.
• 간접 밴드 갭 반도체에 적합한 Tauc 관계를 사용하여 Tauc 도표에서 밴드 갭 에너지를 계산하는 것.
• 용액 농도에 따른 결정립 크기 및 입자 크기 경향을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용액 농도는 실-겔 방법으로 합성된 SnO2 나노입자의 결정립 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 용액 농도와 SnO2 나노입자의 광학 밴드 갭 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 용액 농도는 SnO2 나노입자의 자외선-가시광선 스펙트럼에서 흡수 경계 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 낮은 용액 농도로 인한 입자 크기 감소는 SnO2에서 어떤 정도의 양자 혼입 효과를 유도하는가?
• RQ5 용액 농도는 SnO2 나노입자의 표면 형태 및 결정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 용액 농도가 0.1 M일 때 11.7 nm에서 0.5 M일 때 74.8 nm로 증가함에 따라 결정립 크기가 증가하여 높은 전구체 농도에서 더 큰 결정립이 형성됨을 나타낸다.
• 용액 농도가 감소함에 따라 평균 입자 크기가 감소하여 0.5 M일 때 74.8 nm에서 0.1 M일 때 11.7 nm로 감소하였다.
• 광학 밴드 갭은 0.1 M일 때 4.07 eV에서 0.5 M일 때 4.36 eV로 증가하여 흡수 경계가 파란 빛으로 이동함을 나타낸다.
• 용액 농도가 감소함에 따라 흡수 경계가 파장이 짧은 쪽으로 이동하였으며, 이는 더 작은 나노입자에서의 양자 혼입 효과와 일치한다.
• XRD 패턴은 모든 농도에서 SnO2의 테트라고널 상이 존재하며, 부가 상이 검출되지 않았음을 확인하였다.
• SEM 분석 결과 표면 형태 및 입자 응집 현상의 변화를 관찰하였으며, 낮은 용액 농도에서 더 미세한 입자를 관찰할 수 있었다.