Au 나노입자가 ZnO 에탄올 센서에 미치는 습도 증진 효과

1차원 금속 산화물 반도체 기반 가스 센서 개발에서 습도가 센서 성능에 미치는 부정적 영향을 완화하는 것은 중요한 과제입니다. 본 연구는 금(Au) 나노입자가 1차원 ZnO 나노구조의 에탄올 감응도에 미치는 습도 증진 효과를 탐구했습니다. 전도성 화학 센서 제작을 위해 Au 촉매 성장 동역학을 활용한 열 증발-응축법으로 ZnO 나노와이어를 성장시켰습니다. 이후 스퍼터링을 통해 Au 나노입자를 ZnO 나노구조에 2~10초간 추가 증착했습니다. 구조 분석 결과, 10~70 nm 직경의 Au 나노입자가 0.1~1 μm 길이와 10~30 nm 직경의 ZnO 나노와이어 위에 넓게 분포함을 확인했습니다. 제작된 센서들은 250~400 °C의 건조 및 습한 조건에서 NO2, NH3, C3H6O, CO, C2H5OH에 대해 체계적으로 평가되었습니다. 5초간 Au 기능화된 ZnO 나노와이어 센서는 50% 상대 습도(RH) 및 최적 감지 온도 350 °C에서 70 ppm C2H5OH에 대해 93.75의 가장 높은 반응을 보였으며, 이는 순수 ZnO 나노와이어 센서(1.86)보다 현저히 높았습니다. 특히, 최적의 Au 장식 ZnO 나노와이어 센서는 50% RH에서 에탄올 반응이 크게 향상되는 습도 증진 거동을 나타냈습니다. 또한, 최적 센서는 낮은 이론적 검출 한계(3.7 ppb)와 NO2, NH3, C3H6O, CO 등 방해 가스에 대한 높은 C2H5OH 선택성을 보였습니다. 이러한 에탄올 반응 개선 및 습도 증진 효과는 Au-ZnO 계면에서 형성된 옴 접촉 금속-반도체 접합 특성과 미세 스퍼터링 Au 나노입자의 산소 화학 흡착 증진 및 ZnO 나노와이어 표면의 수산화물 및 하이드로늄 종 형성 억제 능력에 기인하는 것으로 해석됩니다. 본 연구 결과는 증발-응축 및 스퍼터링을 통해 제작된 Au 장식 ZnO 나노와이어가 고성능 에탄올 센서로 활용될 수 있음을 시사합니다.