Reduced Graphene Oxide Incorporated Nanoporous Conjugated Polymer Thin-Film based Organic Field-Effect Transistors for High-Performance NO2 Gas Sensor = 고성능 이산화 질소 가스 센서용 환원 산화 그래핀이 혼입된 나노 다공성 공액 고분자 박막 기반 유기 전계효과 트랜지스터 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we have described a simple method for enhancing the performance of organic field-effect transistor (OFET) sensors in NO2 sensing at room temperature through reduced graphene oxide (rGO)-incorporated nanoporous P3HT films using shear coating-assisted phase separation (SAPS) technique. The morphologies, microstructures, photophysical properties, and electrical properties of rGO-incorporated nanoporous P3HT films were investigated by atomic force microscopy (AFM), optical microscopy (OM), ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) analysis, Raman spectroscopy, and charge-carrier mobility measurements. The synergistic effect of P3HT pores acting as analyte diffusion pathways and rGO acting as adsorption sites resulted in a significant variation of the electrical properties of nanoporous P3HT/rGO OFETs upon exposure to NO2 gas molecules, implying the potential of OFETs as an efficient NO2 sensor. Specifically, the new nanoporous OFET sensors based on rGO-incorporated nanoporous P3HT films exhibited significantly improved responsivity with a value of ~61.3% for 10 ppm NO2 gas compared to those based on nonporous P3HT/PS/rGO composite films (~17.7%). Moreover, excellent response and recovery behaviors (response time = ~62 s and recovery time = ~145 s), high sensitivity (~1.48 ppm–1), and good selectivity were observed.

국문 초록 (Abstract)

이 연구에서 우리는 전단 코팅 보조 상 분리(SAPS) 기술을 사용하여 환원 산화 그래핀(rGO)이 혼입된 나노 다공성 P3HT 필름 기반 유기 전계 효과 트랜지스터 (OFET) 센서를 통해 실온에서 NO2 감지 성능을 향상시키는 간단한 방법을 설명했습니다. 원자현미경(AFM), 광학현미경(OM), 자외선-가시광선(UV-vis) 분광법, X선 회절(XRD) 분석, 라만 분광법 및 전하 캐리어 이동도 측정을 통해 rGO가 혼입된 나노다공성 P3HT 필름의 형태, 미세구조, 광물리적 특성 및 전기적 특성을 조사했습니다. 분석 물질 확산 경로로 작용하는 P3HT 기공과 흡착 부위로 작용하는 rGO의 시너지 효과는 NO2 가스 분자에 노출되었을 때 나노다공성 P3HT/rGO OFET의 전기적 특성에 상당한 변화를 가져왔으며, 이는 효율적인 NO2 센서로서의 OFET의 잠재력을 암시합니다. 구체적으로, rGO가 포함된 나노다공성 P3HT 필름을 기반으로 하는 새로운 나노다공성 OFET 센서는 비다공성 P3HT/PS/rGO 복합 필름을 기반으로 하는 센서(~17.7%)에 비해 10ppm NO2 가스에 대해 ~61.3%의 값으로 크게 향상된 응답성을 나타냈습니다. 또한, 우수한 반응 및 회복 거동(반응 시간 = ~62초 및 회복 시간 = ~145초), 높은 민감도(~1.48ppm–1) 및 우수한 선택성이 관찰되었습니다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT (ⅱ)
• Table Captions (ⅳ)
• Figure Captions (ⅴ)
• 1. INTRODUCTION (1)
• 2. EXPERIMENTAL DETAILS (5)
• 2.1 Materials (5)
• 2.2 Preparation of P3HT/PS/rGO composite solutions and OFET fabrication (5)
• 2.3 Film characterization (6)
• 2.4 Electrical characterization and sensor evaluation (7)
• 3. RESULTS AND DISCUSSION (10)
• 3.1 Fabrication of nanoporous P3HT/rGO composite films (10)
• 3.2 Morphology of nanoporous P3HT/rGO composite films (13)
• 3.3 Photophysical properties and microstructures of nanoporous P3HT/rGO composite films (20)
• 3.4 Interfacial interaction between P3HT and rGO (23)
• 3.5 Electrical properties and sensing performance of nanoporous P3HT/rGO composite films (26)
• 4. CONCLUSIONS (42)
• 5. REFERENCES (43)
• LIST OF PUBLICATIONS (56)
• 국문초록 (58)