부산대학교 도서관

Molecular optimization of materials through the introduction of functional molecules is important for improving efficiency in specific applications such as modification of electrical transport properties in electronic device, surface charge control for adhesion of heterogeneous materials and so on. This research consists of two topics, the optimization thermoelectric properties and chemical sensing properties of the molecular optimized functional molecules. In the first topic, poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (poly (HEMA))-based hydrogel bead was fabricated for application as a sensor for safe detection of explosives. The genetically modified E. coli was used to indicate fluorescence signal, when the reactive bacteria were exposed to 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), as typical nitro-compound containing in explosive. Because E. coli has negative charge, the 2-(methacryloyloxy) ethyl trimethylammonium chloride (MAETC), as a cationic monomer, was co-polymerized with HEMA for surface charge modification to positive. As a result, the reactive bacteria were efficiently contained on the hydrogel bead with increased cell affinity by electrostatic interaction. The increased fluorescent signal was obtained with improved detection performance. As a second topic, the electrical and thermal transport properties of molybdenum disulfide (MoS2), which is two-dimensional transition metal dichalcogenides nanomaterials, was controlled through amine-containing thiol-terminated molecular doping for enhanced thermoelectric properties. Before the investigation of thermoelectric properties by adsorption of the functional molecule, it was optimized by tuning of carrier concentration and Fermi-level, introducing a FET structure with ionic-liquid (IL) dielectric layer, having high capacitance. After the adsorption of 2-mercaptoethylamine (MEA) as an amine-containing thiol-based functional molecule onto MoS2, the improved thermoelectric properties were obtained by the n-type doping effects and control of carrier transport properties.
기능성 분자 도입을 통한 기존 재료의 특성 개질은 다양한 분야에서 효율 향상을 위한 방법으로 이용되어 왔다. 기능성 분자의 전하, 전자 친화도 등의 특성에 따라 재료의 표면 전하 개질, 전자 전달 특성 제어 등의 효과를 부여 및 향상시킬 수 있으며 이는 특정 응용분야의 목적에 따른 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 본 연구는 기능성 분자 도입을 통한 화학 센서와 열전 특성 향상에 관한 두 가지 주제로 구성되어있다. 첫 번째 주제로써 폭발물의 안전한 감지를 위한 센서로 poly (2-hydroxythyl methacrylate) (poly (HEMA))-기반 하이드로겔 비드를 제작하였으며 양전하를 나타내는 단량체인 2-(methacryloyloxy)ethyl trimethylammonium chloride (MAETC) 와 공중합함으로써 표면 전하를 개질하였다. 폭발물 반응 물질로써 폭발 물질에 노출되었을 때 형광 신호를 나타내도록 유전자 조작된 대장균이 사용되었다. 본 물질은 음전하를 나타내기 때문에 양전하로 표면 전하가 개질된 하이드로겔 비드에 정전기적 인력 작용을 통해 효과적으로 함유되었으며 향상된 박테리아의 함유량으로 인해 폭발물 감지 특성이 향상된 결과를 나타내었다. 또한 두 번째 주제로 열전 물질로써 응용되는 이차원 transition metal dichalcogenides 나노 물질로써 molybdenum disulfide (MoS2)에 기능성 분자를 도입하여 열적, 전기적 전달 특성을 제어하였으며 이를 통해 열전 특성을 최적화 및 향상 시켰다. 에너지 하베스팅 기술로써 열전은 에너지 손실을 주도하는 폐열의 열 에너지를 통해 전력을 생산할 수 있다. MoS2는 이론적으로 캐리어 농도에 따라 열전 특성 지수인 ZT 값이 1~2 이상인 고효율 열전 소재로 보고된 바 있다. 그러나 실험적인 접근에 따른 열전 특성의 최적화 및 향상에 대한 연구는 불충분하다. 본 연구에서는 field-effect transistor (FET) 구조를 열전 특성 분석법에 도입함으로써 MoS2의 전자 농도 조절 및 페르미 준위의 이동 현상을 구현하였다. 또한 FET 구조에서 높은 capacitance를 나타내는 ionic liquid를 dielectric layer로 사용함으로써 유도되는 전자 농도를 1013 cm-2 이상으로 증가시킴으로써 실험적으로 열전 특성 최적화를 입증하였다. 또한, amine 기능기가 함유된 thiol 기반의 기능성 분자를 MoS2에 화학적으로 결합시킴으로써 전자 농도 증가에 따른 n-type 도핑 효과와 전자 전달 특성 제어로 MoS2의 향상된 열전 특성을 확인하였다.