[논문 리뷰] Growth and Optical Properties Investigation of Pure and Al-doped SnO2 Nanostructures by Sol-Gel Method

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

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors참고 문헌 16인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 순수 및 알루미늄 도핑된 SnO2 나노입자의 젤-거품 합성을 조사하여, 알루미늄 도핑 농도를 증가시킬수록 결정립 크기가 감소하고 광학 밴드 갭이 증가함을 입증한다. XRD, SEM, UV-Vis, FT-IR 및 EDX 분석을 통해 구조적 안정성, 크기 감소 및 향상된 광학적 성질을 확인하였으며, EDX를 통한 알루미늄 도핑의 SnO2 격자 내 존재가 확인되었고, 25% 도핑 시 광학 밴드 갭은 최대 3.75 eV까지 넓어졌다.

ABSTRACT

SnO2 nanoparticles with different percentage of Al (5%, 15%, and25%) were synthesized by sol-gel method. The structure and nature of nanoparticles are determined by of X-ray diffraction analysis. Also morphology of the samples is evaluated by SEM. Moreover, the optical properties of the samples are investigated with UV-Visible and FT-IR. The XRD patterns are indicated that all samples and incorporation aluminum ions into the SnO2 lattice have tetragonal rutile structure. The crystalline size of nanoparticles is decreased with increasing the Al percentage. The SEM results confirmed that the size of nanoparticles decreases with increasing the Al percentage. Also, FT-IR and UV-Visible results showed that the optical band gap of nanoparticles increases with the increasing the Al percentage. Finally, we have used the EDX analysis to study the chemical composition of the products. Pure tin and oxygen have been observed. The doped samples showed the existence of Al atoms in the samples of the crystal structure of SnO2.

연구 동기 및 목표

• 순수 및 알루미늄 도핑된 SnO2 나노입자를 솔-젤 방법을 사용하여 합성하여 옵토일렉트로닉 성질을 향상시키는 것.
• 5%, 15%, 25% 농도에서 알루미늄 도핑이 유도하는 구조적 및 형태학적 변화를 조사하는 것.
• UV-Vis 분광법을 사용하여 알루미늄 농도 증가에 따른 광학 밴드 갭 변화를 분석하는 것.
• EDX 및 FT-IR 분광법을 사용하여 알루미늄이 SnO2 격자에 도핑되었는지 확인하는 것.
• XRD 및 SEM 자료를 사용하여 결정립 크기 감소와 알루미늄 도핑 수준 간의 상관관계를 규명하는 것.

제안 방법

• 솔-젤 합성을 사용하여 5%, 15%, 25% 알루미늄 도핑이 된 SnO2 나노입자를 제조하였다.
• X선 회절(XRD)을 사용하여 결정 구조를 분석하고, 슈레어 방정식을 사용하여 결정립 크기를 계산하였다.
• 주사 전자 현미경(SEM)을 적용하여 입자 형태 및 크기 분포를 관찰하였다.
• UV-Vis 분광법을 사용하여 흡수도 데이터의 타크 플롯 분석을 통해 광학 밴드 갭을 측정하였다.
• FT-IR 분광법을 사용하여 기능기 및 Sn-O 및 Al-O 결합의 존재를 확인하였다.
• 에너지 분산형 X선(EDX) 분석을 통해 도핑된 SnO2 격자 내 알루미늄의 존재를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 솔-젤 방법으로 합성된 SnO2 나노입자의 알루미늄 도핑 농도는 결정립 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 UV-Vis 분광법으로 측정한 바탕으로 알루미늄 도핑은 SnO2의 광학 밴드 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 알루미늄은 성공적으로 SnO2 결정 격자에 도핑되었는가? 그리고 이를 어떻게 확인하였는가?
• RQ4 알루미늄 도핑은 SnO2 나노입자의 형태학적 특성 및 입자 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 5%, 15%, 25% 농도에서 알루미늄 도핑된 SnO2에서 발생하는 구조적 및 광학적 변화는 무엇인가?

주요 결과

• 모든 시료는 XRD 패턴에 의해 테트라고날 루틸 구조를 나타내었으며, 부가 상은 관찰되지 않았다.
• 슈레어 방정식을 사용한 계산 결과 순수 SnO2에서 약 20 nm였던 결정립 크기가 25% 알루미늄 도핑 시 약 10 nm로 감소하였다.
• SEM 영상에서는 알루미늄 농도 증가에 따라 일관되게 입자 크기가 감소하는 경향을 보였으며, 이는 XRD 결과를 지지하였다.
• 광학 밴드 갭은 순수 SnO2에서 약 ~3.4 eV에서 25% 알루미늄 도핑 시 약 ~3.75 eV로 증가하여, 향상된 광학 투과성과 옵토일렉트로닉 응용 잠재력이 향상됨을 시사하였다.
• FT-IR 스펙트럼은 Sn-O 및 Al-O 진동의 존재를 확인하여 성공적인 도핑과 안정된 산화물 결합을 나타내었다.
• EDX 분석은 도핑된 시료에서 알루미늄의 존재를 확인하였으며, 원자 백분율이 의도한 도핑 수준과 일치하였다.