비스무스계 산화물에서 격자결함과 전기적 특성Defect structures and electrical properties in bismuth-based oxides

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본 연구에서는 비스무스 산화물의 결함과 이것이 전체적인 산화물의 특성에 어떻게 영향을 미치는 지 연구하였다. 첫번째 주제는 현재까지 가장 높은 이온전도도를 가지고 있는 $\delta$-Bi_2O_3의 결정립계와 이온전도의 관계에 대해 연구하였다. 일반적인 형석형 구조의 이온전도체와는 다르게 $\delta$-Bi_2O_3에서는 결정립계에서 이온전도도가 급격히 떨어지는 결정립계 블로킹효과가 나타나지 않는다. 결정립계 블로킹효과는 결정립계에 생긴 도판트 편석으로 인해 공간전하영역이 생겨 산소공공결핍이 발생하게 되기 때문에 일어나는 것으로 알려져 있다. $\delta$-Bi_2O_3에서는 이러한 효과가 나타나지 않기 때문에 이온전도도가 높다는 생각을 하게 되었고 실제로 영향이 없는지 보다 확실하게 알아보기 위해 일부로 공간전하 효과를 만들었다. 공간전하를 만들기 위해 $\delta$-Bi_2O_3에 억셉터인 Ca과 도너인 Zr을 도핑시켰다. 이 샘플을 임피던스로 분석한 결과 도핑을 시켜도 결정립계 반원 하나만 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 $\delta$-Bi_2O_3에서는 공간전하에 의한 효과가 없음을 보였고 또한 결정립계 이온전도도가 벌크보다 빠르거나 비슷함을 보였다. 두번째는 광전기화학전지의 광양극으로 사용 되는 CuBi_2O_4(CBO)의 원자단위 구조 분석을 통해 p형 반도체 산화물 CuBi_2O_4 박막을 고각환형 암시야 주사 투과 전자현미경 (High annular dark-field scanning transmission electron microscopy, HAADF-STEM)을 이용하여 원자 단위 결정구조를 분석하였다. CuBi_2O_4 박막의 HAADF 이미지 분석결과 거의 모든 영역에서 약한 콘트라스트를 나타내야 될 Cu 원자열에서 강한 콘트라스트를 나타내는 것을 확인하였고 일부 Bi 원자열에서는 상대적으로 약한 콘트라스트를 나타내는 것을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 Bi 원자가 Cu 원자의 위치로 들어가 있고 반대로 Bi 원자 위치에 Cu 원자가 들어간 불규칙 양이온 배열에 의한 반격자 결함(Anti site defect)이 형성되었음을 관찰하였다. 또한 원자단위에서 실시한 에너지분산형 분광 분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)을 이용한 Cu 원자와 Bi 원자단위 분석을 통해 불규칙 양이온 배열이 일어나 반격자 결함이 생겼음을 직접적으로 증명하였다[.] 추가적으로 온도에 따른 전기전도도 실험을 하 여 얻은 밴드갭과 UV-vis에서 얻은 밴드갭의 차이가 남을 보여줌으로서 밴드 이론이 아닌 폴라론 호핑 이론에 의해 CuBi_2O_4전기전도가 이루어질 가능성이 있음을 밝혀 내었다.
Advisors
정성윤researcherChung, Sung-Yoonresearcher
Description
한국과학기술원 :EEWS대학원,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2018
Identifier
325007
Language
kor
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : EEWS대학원, 2018.2,[vi, 69 p. :]

Keywords

입방정계 비스무스 산화물▼a결정립계 블로킹 효과▼a전기화학적 임피던스▼a반격자결함▼a광양극▼a고각환형암시야주사전자현미경▼a플라론▼a호핑 메커니즘; Cubic bismuth oxide▼agrain boundary blocking effect▼aimpedance spectroscopy▼aanti-site defect▼aPhotocathode▼aHigh angular annular dark field scanning transmission microscopy▼asmall polaron▼ahopping mechanism

URI
http://hdl.handle.net/10203/265556
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=733641&flag=dissertation
Appears in Collection
EEW-Theses_Master(석사논문)
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