The hybrid structured photo-electrode for dye-sensitized solar cells was fabricated based on the composites of $TiO_2$ nanoparticles and nanowires. Three samples with different hybrid structures were prepared with 17 vol%, 43 vol%, and 100 vol% nanowires. The energy conversion efficiency was enhanced from 5.54% for pure nanoparticle cells to 6.01% for the hybrid structure with 17 vol% nanowires. For the hybrid structured layers with high nanowires concentration (43 vol% and 100 vol%), the efficiency decreased with the nanowire concentration, because of the decrease of specific surface area, and of thus decreased current density. The random orientations of $TiO_2$ nanowires can be preserved by the doctor blade process, resulted in the enhanced efficiency. The hybrid structured $TiO_2$ layer can possess the advantages of the high surface area of nanoparticles and the rapid electron transport rate and the light scattering effect of nanowires.
Electrochromic (EC) devices are capable of reversibly changing their optical properties upon charge injection and extraction induced by the external voltage. The characteristics of the EC device, such as low power consumption, high coloration efficiency, and memory effects under open circuit status, make them suitable for use in a variety of applications including smart windows and electronic papers. Coloration due to reduction or oxidation of redox chromophores can be used for EC devices (e-paper), but the switching time is slow (second level). Recently, with increasing demand for the low cost, lightweight flat panel display with paper-like readability (electronic paper), an EC display technology based on dye-modified $TiO_2$ nanoparticle electrode was developed. A well known organic dye molecule, viologen, was adsorbed on the surface of a mesoporous $TiO_2$ nanoparticle film to form the EC electrode. On the other hand, ZnO is a wide bandgap II-VI semiconductor which has been applied in many fields such as UV lasers, field effect transistors and transparent conductors. The bandgap of the bulk ZnO is about 3.37 eV, which is close to that of the $TiO_2$ (3.4 eV). As a traditional transparent conductor, ZnO has excellent electron transport properties, even in ZnO nanoparticle films. In the past few years, one-dimension (1D) nanostructures of ZnO have attracted extensive research interest. In particular, 1D ZnO nanowires renders much better electron transportation capability by providing a direct conduction path for electron transport and greatly reducing the number of grain boundaries. These unique advantages make ZnO nanowires a promising matrix electrode for EC dye molecule loading. ZnO nanowires grow vertically from the substrate and form a dense array (Fig. 1). The ZnO nanowires show regular hexagonal cross section and the average diameter of the ZnO nanowires is about 100 nm. The cross-section image of the ZnO nanowires array (Fig. 1) indicates that the length of the ZnO nanowires is about $6\;{\mu}m$. From one on/off cycle of the ZnO EC cell (Fig. 2). We can see that, the switching time of a ZnO nanowire electrode EC cell with an active area of $1\;{\times}\;1\;cm^2$ is 170 ms and 142 ms for coloration and bleaching, respectively. The coloration and bleaching time is faster compared to the $TiO_2$ mesoporous EC devices with both coloration and bleaching time of about 250 ms for a device with an active area of $2.5\;cm^2$. With further optimization, it is possible that the response time can reach ten(s) of millisecond, i.e. capable of displaying video. Fig. 3 shows a prototype with two different transmittance states. It can be seen that good contrast was obtained. The retention was at least a few hours for these prototypes. Being an oxide, ZnO is oxidation resistant, i.e. it is more durable for field emission cathode. ZnO nanotetropods were also applied to realize the first prototype triode field emission device, making use of scattered surface-conduction electrons for field emission (Fig. 4). The device has a high efficiency (field emitted electron to total electron ratio) of about 60%. With this high efficiency, we were able to fabricate some prototype displays (Fig. 5 showing some alphanumerical symbols). ZnO tetrapods have four legs, which guarantees that there is one leg always pointing upward, even using screen printing method to fabricate the cathode.
Lee, Young Keun;Lee, Jaemin;Lee, Hyosun;Lee, Jung-Yong;Park, Jeong Young
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.225-225
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2013
Nanostructured noble metals have been attractive for their unusual optical properties and are widely utilized for various purposes. The optical properties mainly originating from collective electron oscillation can assist direct energy conversion via surface plasmon resonances. Here, we investigated the effect of surface plasmons of silver nanowires on the generation of hot electrons. It is reported that the surface plasmons of silver nanowires exhibit longitudinal and transverse modes, depending on the aspect ratio of the nanowires. In order to measure the hot electron flow through the metallic nanowires, chemically modified Au/TiO2 Schottky diodes were employed as the electric contact. The silver nanowires were deposited on a Au metal layer via the spray method to control uniformity and the amount of silver nanowire deposited. We measured the hot electron flow generated by photon absorption on the silver nanowires deposited on the Au/TiO2 Schottky diodes. The incident photon-to-current efficiency was measured a function of the photon energy, revealing two polarization modes of siliver nanowires: transverse and longitudinal modes. UV-Vis spectra exhibited two polarization modes, which are also consistent with the photocurrent measurements. Good correlation between the IPCE and UV-vis measurements suggests that hot electron measurement on nanowires on nanodiodes is a useful way to reveal the intrinsic properties of surface plasmons of nanowires.
To reduce the imbalance of impedance matching between the magnetic metal nanowires and free space, $Fe/TiO_2$ core/shell nanowire arrays with different diameters were fabricated in the templates of anodic aluminum oxide membranes by electrodeposition. The influences of the microstructure on the microwave absorption properties of the $Fe/TiO_2/Al_2O_3$ composites were studied by the transmission/reflection waveguide method. It was demonstrated experimentally that both the interfacial polarization and the diameter of the $Fe/TiO_2$ core/shell nanowires have critical effects on the microwave absorption properties. We also investigated the angle dependence of the microwave absorption properties. Due to the interfacial polarization and associated relaxation, the $Fe/TiO_2/Al_2O_3$ composites exhibited optimal microwave absorption properties when microwave propagation direction was accordant with the axis of the nanowires. Finally, we managed to obtain an optimal reflection loss of below -10 dB (90% absorption) over 10.2-14.8 GHz, with a thickness of 3.0 mm and the minimum value of -39.4 dB at 11.7 GHz.
1D core-shell nanostructures have attracted great attention due to their enhanced physical and chemical properties. Specifically, oriented single-crystalline $TiO_2$ nanorods or nanowires on a transparent conductive substrate would be more desirable as the building core backbone. However, a facile approach to produce such structure-based hybrids is highly demanded. In this study, a three-step hydrothermal method was developed to grow NiMn-layered double hydroxide-decorated $TiO_2$/carbon core-shell nanorod arrays on transparent conductive fluorine-doped tin oxide (FTO) substrates. XRD, SEM, TEM, XPS and Raman were used to analyze the obtained samples. The in-situ fabricated hybrid nanostructured materials are expected to be applicable for photoelectrode working in water splitting.
Heo, Sung Yeon;Chi, Won Seok;Kim, Jin Kyu;Lee, Chang Soo;Kim, Jong Hak
Rapid Communication in Photoscience
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v.2
no.3
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pp.82-84
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2013
We fabricated dye-sensitized solar cells (DSSCs) with $TiO_2$ nanowire (NW)/nanoparticle (NP) composite and solidified nanogel as the photoelectrode and electrolyte, respectively. $TiO_2$ NWs were generated via pore-infiltration of titanium (IV) isopropoxide (TTIP) into a track-etched polycarbonate membrane with a pore diameter of 100 nm, followed by calcination at $500^{\circ}C$. Energy conversion efficiency of $TiO_2$ NW/NP-based DSSCs was always higher than that of NP-based cells. We attributed this to improved light scattering and electron transport by $TiO_2$ NWs, as verified by intensity modulation photocurrent spectroscopy (IMPS) and intensity modulation photovoltage spectroscopy (IMVS) analyses. Quasi-solid-state DSSCs with NW/NP composites exhibited 5.0% efficiency at 100 $mW/cm^2$, which was much greater than that of NP-based cells (3.2%).
Kim, Dae-Hyun;Park, Kyung-Soo;Choi, Young-Jin;Choi, Heon-Jin;Park, Jae-Gwan
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.48
no.1
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pp.94-98
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2011
A Sn-doped $In_2O_3$ (ITO) nanowire photoelectrode was produced using a simple metal evaporation method at low synthesis temperature (< $540^{\circ}C$). The nanowire electrodes have large surface area compared with that of flat ITO thin film, and show low electrical resistivity of $5.6{\times}10^{-3}{\Omega}cm$ at room temperature. In order to apply ITO nanowires to the photoelectrodes of dye-sensitized solar cell (DSSC), those surfaces were modified by $TiO_2$ nanoparticles using a chemical bath deposition (CBD) method. The conversion efficiency of the fabricated $TiO_2$/ITO nanostructure-based DSSC was obtained at 1.4%, which was increased value by a factor of 6 than one without ITO nanowires photoelectrode. This result is attributed to the large surface area and superior electrical property of the ITO nanowires photoelectrode, as well as the structural advantages, including short diffusion length of photo-induced electrons, of the fabricated $TiO_2$/ITO nanostructure-based DSSC.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.275-275
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2013
Osteoblast is one of cells related with osseointegration and many research have conducted the adhesion of osteoblast onto the surface of implant. In the osseointegration, biocompatibility of the implant and cell adhesion to the surface are important factors. The researches related to cell adhesion have a direction from micro-scaled surface roughness to nano-scaled surface roughness with advancing nanotechnology. A cell reacts and sense to stimuli from extracellular matrix (ECM) and topography of the ECM [1]. Thus, for better osseointegration, we should provide an environment similar to ECM. In this study, we synthesize TiO2 nanowires using hydrothermal reaction because TiO2 provides inertness to titanium on its surface and enables it used as an implant material for the orthopedic treatment such as fixation of the bone fracture [2]. Ti substrate is immersed into NaOH aqueous solution. The solution are heated at $140{\sim}200^{\circ}C$ for various time (10~720 minutes). After heat treatment, we take out the sample and immerse it into HCl aqueous solution for 1 hour. The acid treated sample is heated again at $500^{\circ}C$ for 3 hours [3]. Then, we culture osteoblast on the TiO2 nanowires. For investigating cell adhesion onto nanostructured surface, we conduct several tests such as MTT assay, ALP (Alkaline phosphatase) activity assay, measuring calcium expression, and so on. These preliminary results of the cell culture on the nanowires are foundation for investigating cell-material interaction especially with nanostructure interaction.
Park, Byoung-Jun;Kim, Kyung-Hwan;Kim, Hyun-Suk;Cho, Kyoung-Ah;Kim, Jin-Hyong;Lee, Joon-Woo;Kim, Sang-Sing
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.11a
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pp.252-255
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2004
Various Semiconductor/Metal structured nanowires were synthesized from the simple thermal annealing of ball-milled compound powders and the thermal evaporation of metals. Their structural properties were investigated by Scanning Electron Microscopy(SEM) and Transmission Electron Microscopy(TEM), Energy Dispersive X-ray spectroscopy(EDX). Depending on the type of metals and the material of nanowires, uniform somiconductor/metal nanowires(GaN/Al, GaN/Ag) or isolated metal particles on semiconductor nanowires$(SnO_2/Ti,\;Si/Ti)$ were formed on the surface of nanowires.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2021.05a
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pp.118-119
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2021
The properties of cement mortar with graphene-titanium dioxide composite nanowires (TiO2(G)NW) were investigated in this study. The following tests were conducted with the cement mortar : (1) setting times (2) Flow test of fresh cement mortar, (3) compressive strength and (4) acetaldehyde removal efficiency under visible light. As the increase of TiO2(G) NW, the flow value of cement mortar was decreased and the setting times of cement mortar were faster. The compressive strength and the acetaldehyde removal efficiency were increased by the increase of TiO2(G) NW.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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