Investigation of biochemical properties of SnSe thin films and nanofibers

Abstract

SnSe은 자연계에 풍부한 원소이고 독성이 적으며 비교적 안정한 화합물이다. 또한, band gap energy가 작아서 IV – VI 반도체 물질로서의 가능성이 높다. 최근에 뛰어난 열전효율로 인해 산업적으로 리튬이온배터리, 광전기적 기기, 태양관전지에 대한 연구가 활발하다. 본 논문의 2장에서는, 상온에서 RF magnetron co-sputtering 기법을 이용하여 Sn과 Se을 다양한 비율로 박막을 제작하고 박막의 물리화학적 특징에 대해 연구했다. 먼저, 200 nm의 동일한 두께를 가지는 다양한 비율의 SnSe 박막을 제작하였다. 주사 전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM)과 주사 탐침 현미경 (atomic force microscope, AFM)을 통해 Se의 비율이 큰 박막에서 grain이 생성됨을 확인하였다. X-선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 결과로부터 Se이 포함된 박막에서는 상온에서 amorphous phase가 확인되었다. X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 통해 Se의 비율이 증가함에 따라 Sn의 산화수가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 그리고 자외선 광전자 분광법 (ultra-violet photoelectron spectroscopy, UPS)으로부터 계산된 일함수 (work function, WF)은 Se의 양이 증가함에 따라 4.29 eV에서 6.01 eV로 증가하는 경향을 나타냈다. 3장에서는, 앞선 연구에서 얻은 SnSe 박막들을 다양한 온도로 열처리하고 온도에 따른 생화학적 특성에 대해 연구하였다. 제작한 박막의 형태는 주사 전자 현미경과 주사 탐침 현미경으로 관찰하였다. 423 K에서 573 K으로 열처리 온도가 바뀔 때, 형태의 변화가 관찰되었다. 이때, 관찰되는 grain과 barrier는 에너지 분산 분광법 (energy dispersion X-ray spectroscopy, EDX)으로 확인한 결과, 각각의 주성분은 Se과 Sn으로 달라졌다. X-선 회절법을 이용해 열처리 온도가 증가함에 따라 결정성 또한 커지는 것을 확인하였다. 그리고 X-선 광전자 분광법을 통해 Sn과 Se은 산화수는 증가하고 Se은 휘발성에 의해 증발되었다. 자외선 전자 분광법과 켈빈 프로브로 일함수를 측정한 결과는 두 그룹으로 나누어 설명되어진다. 첫번째 그룹은 Sn의 비율이 Se보다 높으며, 온도와 비례하는 경향을 가진다. 두번째 그룹은 Se의 비율이 더 높으며, 온도와 반비례하는 경향을 가진다. 이는 Sn의 경우, 산화되면서 일함수가 증가하고, Se은 산화되면서 일함수가 감소하기 때문이다. 대장균 Escherichia coli (E. coli)을 이용한 항균성 실험을 통해 SnSe 박막이 순수한 Sn, Se 박막보다 더 우수한 항균성을 가지는 것을 확인했다. 마지막 4장에서는 전기방사법을 이용해 SnSe 나노섬유를 제작하고, Sn과 Se의 비율에 따른 나노섬유의 물리화학적 특징에 대해 연구하였다. 전기방사법은 높은 부피 대 면적비, 낮은 가격, 범용적인 물질 선택성과 같은 장점들로 인해 많이 연구되어지고 있다. 먼저, 주사 전자 현미경과 에너지 분산 분광법을 이용한 결과에서 423 K에서 가장 표면이 깨끗한 나노섬유를 관찰할 수 있다. 그리고 순수한 Se 나노섬유를 제외한 나머지 나노섬유는 573 K에서 폴리머가 분해되는 것을 볼 수 있다. 순수한 Se 나노섬유는 그물 형태의 구조에 의해 폴리머의 유리 전이 온도 (glass transition temperature, Tg)의 변화로 내열성이 우수해졌다. X-선 회절 결과에 의해 높은 온도에서의 SnSe 나노섬유에서 SnO2의 결정성이 확인됐다. X-선 광전자 분광법을 통해 Sn과 Se이 모두 산화되는 것을 확인하였고, SnSe의 형태가 SnO2형태로 바뀌면서 Sn2+가 Sn4+로 변화되는 것을 확인했다.

Tin selenide (SnSe) as a metal chalcogenide has many advantages such as non-toxic, earth-abundant elements, and very stable compounds. Also, SnSe exhibits narrow band gap energy (0.9 - 1.3 eV) which is capable of being used as a binary IV - VI semiconductor. Recently, it has been widely studied due to its outstanding thermoelectric figure of merit (ZT). Due to its various advantages, SnSe is promising candidates for use in lithium-ion batteries, optoelectronic devices, and solar cells. Chapter 2 of this thesis, SnSe thin films (TFs) were fabricated by radio frequency (RF) magnetron co-sputtering method at various atomic ratios of Sn and Se at room temperature and the physicochemical properties were investigated. Firstly, SnSe TFs were varied to fabricated 200 nm of the same thickness. The scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) images were observed that the grain size and surface height were increased as the amounts of Se in the TFs increases. From the X-ray diffraction (XRD) spectra, TFs which incorporated Se were amorphous at room temperature. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed that Sn was oxidized as the Se content in the TFs increased. And the work function, which calculated by ultra-violet photoelectron spectroscopy (UPS) measurement, increased form 4. 29 eV to 6.01 eV according to increase of Se amounts. And contact angle measurements showed that pure Sn TFs are most hydrophobic and changed to more hydrophilic with increasing ratio of Se. Chapter 3, we have studied the biochemical properties of SnSe TFs having various annealing temperatures. The morphologies of TFs were observed by SEM and AFM. The morphologies changed to between 423 and 573 K. And the grain and barrier were studied by energy dispersion X-ray spectroscopy (EDX). The crystallinity of TFs increased as increasing annealing temperature observed by XRD. From the XPS results, both Sn and Se were oxidized at high annealing temperature and Se was evaporated due to volatility. UPS and Kelvin probe showed the work function of TFs with various annealing temperature. The results of work function can be explained in two groups depending on which is the greater amount of Sn or Se. As the annealing temperature increased, first group was increased while second was decreased. The antibacterial efficiency using Escherichia coli was greater SnSe TFs which containing both Sn and Se than pure Sn or Se TFs. Chapter 4, we fabricated SnSe nanofibers (NFs) by electrospinning method and studied the physicochemical properties of NFs according to the ratio of Sn to Se and various calcination temperature. Electrospinning method have received much attention due to its advantage such as high surface to volume ratio, low cost and various materials selection. From the SEM and EDX images, the morphologies of NFs were continuous and smooth surface at 423 K. And the polymer was evaporated at 873 K due to decomposition of polymer. The pure Se NF which having web structure has heat resistance characteristic due to changed glass transition temperature (Tg) of polymer. The crystallinity of SnO2 phase in SnSe NFs at high calcination temperature were confirmed by XRD. According to the XPS deconvoluted spectra, Sn and Se were more oxidized and SnSe was changed to SnO2.