[논문 리뷰] Micro- and Nanostructured Diamond in Electrochemistry: Fabrication and Application

Fang Gao, Christoph E. Nebel|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 08.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 127인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전기화학적 응용을 위한 마이크로 및 나노 구조 다이아몬드의 제조법과 그 응용을 검토하며, 상향식 에칭과 하향식 성장 기법에 중점을 둔다. 표면적 증가로 인한 향상된 전기화학적 성능, 센싱을 위한 톱니 증폭 반응, 여과를 위한 나노다공성 막 등을 강조하며, 템플릿 기반 성장과 플라즈마 에칭의 주요 발전으로 인해 스케일업이 가능하고 마스크가 필요 없는 생산이 가능해졌다.

ABSTRACT

The fabrication method of diamond nanostructures can be divided into two categories: top-down etching and bottom-growth. The early work on 3D micro-structured diamond dates back to mid-1990s, using chemical vapor infiltration (CVI) techniques. In this technology, carbon or carbide fibers were typically used as the growth template. Almost in parallel, reactive ion etching (RIE) was applied to achieve diamond surface nanostructuring. After that the diamond surface nanostructures, typically vertically aligned diamond nanowires (or nanorods) has been mainly fabricated using top-down plasma etching techniques. In recent year, the templated diamond growth has gained increasing attention due to the wide choice of template, mask-free production, and unlimited surface enlargement. In this chapter, the development and main techniques used in these two approaches will be elaborated. Nevertheless, other less common methods, such as catalytic etching by metal particles, steam activation and selective materials removal will also be discussed. As indicated by the title, this chapter will mainly deal with the application of micro- and nanostructured diamond in electrochemistry. In these applications, the advantage of nanostructured diamond can be divided into three aspects: 1) providing enlarged surface area for charge storage and catalyst deposition; 2) tip-enhanced electrochemical reactions used in sensing applications; 3) diamond membranes with micro- or nanopores can be applied in the electrochemistry separation and purification applications. Examples and explanations on these applications will be given in this chapter.

연구 동기 및 목표

• 전기화학 분야에서 마이크로 및 나노 구조 다이아몬드의 제조 기술 발전과 현재 상태를 검토하는 것.
• 전기화학적 응용을 위한 스케일업이 가능하고 고표면적을 확보한 다이아몬드 구조를 얻는 데 있어 핵심 과제를 규명하는 것.
• 나노 구조 다이아몬드가 전기화학적 센싱, 전하 저장, 여과 과정에서 가지는 이점을 평가하는 것.
• 하향식 에칭과 상향식 성장 방법을 비교하여, 스케일업과 유연성을 고려한 템플릿 기반 성장을 중심으로 분석하는 것.

제안 방법

• 다이아몬드 표면에 수직으로 정렬된 다이아몬드 나노와이어나 나노로드를 제조하기 위해 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용한 하향식 제조.
• 탄소 또는 탄화물 섬유를 템플릿으로 사용한 상향식 템플릿 기반 성장으로, 마스크가 필요 없고 스케일업 가능한 3차원 마이크로 구조 다이아몬드 생산.
• 제어된 나노구조 형성에 기여하기 위해 플라즈마 에칭과 금속 입자를 이용한 촉매 에칭의 적용.
• 다른 나노구조 형성 방식으로 스팀 활성화와 선택적 재료 제거의 활용.
• 전기화학적 여과 및 정제를 위한 마이크로 및 나노다공성 다이아몬드 막의 통합.
• 센싱 응용에서 표면적 증가와 局부 전기장 효과를 통해 전기화학적 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기화학적 응용을 위한 마이크로 및 나노 구조 다이아몬드를 제조하는 데 있어 하향식 및 상향식 제조 기법의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ2 나노 구조 다이아몬드가 전기화학적 감도와 표면 반응성 향상에 기여하는 핵심 이점은 무엇인가?
• RQ3 어느 정도의 템플릿 기반 성장이 스케일업이 가능하고 마스크가 필요 없는 구조 다이아몬드 생산을 가능하게 하는가?
• RQ4 나노다공성 다이아몬드 막은 전기화학적 여과 및 정제 과정에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 나노 구조 다이아몬드 끝부분에서 발생하는 전기장 증폭 효과는 전기화학적 센싱에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 하향식 RIE 기법은 수직으로 정렬된 다이아몬드 나노와이어의 정밀한 제조를 가능하게 하여 표면적과 전기화학적 활성도를 향상시킨다.
• 탄소 또는 탄화물 섬유를 템플릿으로 사용한 템플릿 기반 성장은 고표면적을 지닌 스케일업이 가능하고 마스크가 필요 없는 3차원 마이크로 구조 다이아몬드 생산을 가능하게 한다.
• 나노 구조 다이아몬드 표면은 전기활성 표면적 증가로 인해 더 높은 전하 저장 용량과 촉매 적재 능력을 보인다.
• 나노 구조 다이아몬드 끝부분에서 발생하는 톱니 증폭 전기화학 반응은 전기화학적 센싱 응용에서 감도를 크게 향상시킨다.
• 나노다공성 다이아몬드 막은 조절 가능한 다공성과 화학적 안정성 덕분에 선택적 전기화학적 여과 및 정제에 잠재력을 보인다.
• 촉매 에칭과 스팀 활성화 방법은 덜 일반적인 나노구조 형성 경로를 제공하며, 제조의 유연성을 확장한다.