Min Gwan, Ha;Donghoon, Shin;Jeawoo, Jung;Emilio, Audasso;Juhun, Song;Yong-Tae, Kim;Hee-Young, Park;Hyun S., Park;Youngseung, Na;Jong Hyun, Jang
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제13권4호
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pp.462-471
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2022
In this study, the electrochemical impedance characteristics of CO2/H2O co-reduction to produce CO/H2 syngas were investigated in a low-temperature single cell. The effect of the operating conditions on the single-cell performance was evaluated at different feed concentrations and cell voltages, and the corresponding electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data were collected and analyzed. The Nyquist plots exhibited two semicircles with separated characteristic frequencies of approximately 1 kHz and tens of Hz. The high-frequency semicircles, which depend only on the catholyte concentration, could be correlated to the charge transfer processes in competitive CO2 reduction and hydrogen evolution reactions at the cathodes. The EIS characteristics of the CO2/H2O co-reduction single cell could be explained by the equivalent circuit suggested in this study. In this circuit, the cathodic mass transfer and anodic charge transfer processes are collectively represented by a parallel combination of resistance and a constant phase element to show low-frequency semicircles. Through nonlinear fitting using the equivalent circuit, the parameters for each electrochemical element, such as polarization resistances for high- and low-frequency processes, could be quantified as functions of feed concentration and cell voltage.
Issues in the electrical characterization of semiconducting photoanodes in a photoelectrochemical (PEC) cell, such as the cell geometry dependence, scan rate dependence in DC measurements, and the frequency dependence in AC measurements, are addressed, using the example of a $TiO_2$ photoanode. Contrary to conventional constant phase element (CPE) modeling, the capacitive behavior associated with Mott-Schottky (MS) response was successfully modeled by a Havriliak-Negami (HN) capacitance function-which allowed the determination of frequency-independent Schottky capacitance parameters to be explained by a trapping mechanism. Additional polarization can be successfully described by the parallel connection of a Bisquert transmission line (TL) model for the diffusion-recombination process in the nanostructured $TiO_2$ electrode. Instead of shunt CPEs generally employed for the non-ideal TL feature, TL models with ideal shunt capacitors can describe the experimental data in the presence of an infinite-length Warburg element as internal interfacial impedance - a characteristic suggested to be a generic feature of many electrochemical cells. Fully parametrized impedance spectra finally allow in-depth physicochemical interpretations.
[ $Sr_xBa_{1-x}Nb_2O_6$ ] (SBN, $0.25{\leq}x{\leq}0.75$) ceramic is a ferroelectric material with tetragonal tungsten bronze (TTB) type structure, which has a high pyroelectric coefficient and a nonlinear electro-optic coefficient value. In spite of its advantages, SBN has not been investigated well compared to other ferroelectric materials with perovskite structure. In this study, SBN thin film was manufactured by ion beam sputtering technique using the prepared SBN target in $Ar/O_2$ atmosphere. SBN30 thin film of $1000{\AA}$ was pre-deposited as a seed layer on $Pt(100)/TiO_2/SiO_2/Si$ substrate followed by SBN60 deposition up to $3000{\AA}$ in thickness. As-deposited SBN60/SBN30 layer was heat-treated at different temperatures of 650, 700, 750, and $800^{\circ}C$ in air, respectively The crystallinity and orientation behavior as well as electric properties of SBN60/SBN30 multi-layer were examined. The deposited layer was uniform and the orientation was shown primarily along (001) plane from XRD pattern. There was no difference in the crystal structure with heat-treatment temperature, but the electric properties depended on the heating temperature and was the best at $750^{\circ}C$. In electric properties of Pt/SBN60/SBN30/Pt thin film capacitor prepared, the remnant polarization (2Pr) value was $15{\mu}C/cm^2$, the coercive field (Ec) 75 kV/cm, and the dielectric constant 1075, respectively.
$Sr_xBa_{1-x}Nb_2O_6$(SBN, $025{\leq}x{\leq}0.75$) ceramic is a ferroelectric material with tetragonal tungsten bronze (TTB) type structure, which has a high pyroelectric coefficient and a nonlinear electro-optic coefficient value. In spite of its advantages, SBN has not been investigated well compared to other ferroelectric materials with perovskite structure. In this study, SBN thin film was manufactured by ion beam sputtering technique using the prepared SBN target in Ar/$O_2$ atmosphere. SBN30 thin film of 500 ${\AA}$ was pre-deposited as a seed layer on Pt(l00)/$TiO_2$/$SiO_2$/Si substrate followed by SBN60 deposition up to 4500 ${\AA}$ in thickness. SBN60/SBN30 layer was deposited at different Oxygen amount of 0, 8.1, 17, and 31.8 sccm, respectively. The crystallinity and orientation behavior as well as electric properties of SBN60/SBN30 multi-layer were examined. The deposited layer was uniform and the orientation was shown primarily along (001) plane from XRD pattern. The crystal structure and the electric properties depended on the Oxygen amount, heating temperature and was the best at O2 = 8.1 seem, $750^{\circ}C$. In electric properties of Pt/SBN60/SBN30/Pt thin film capacitor prepared, the remnant polarization (2Pr) value was 13 ${\mu}C/cm^2$, the coercive field (Ec) 75 kV/cm, and the dielectric constant 1492, respectively.
Mn-substituted $BiFeO_3$(BFO) thin films were prepared by r.f. magnetron sputtering under an Ar/$O_2$ mixture of various deposition pressures at room temperature. The effects of the deposition pressure and annealing temperature on the crystallization and electrical properties of BFO films were investigated. X-ray diffraction patterns revealed that BFO films were crystallized for films annealed above $500^{\circ}C$. BFO films annealed at $550^{\circ}C$ for 5 min in $N_2$ atmosphere exhibited the crystallized perovskite phase. The (Fe+Mn)/Bi ratio decreased with an increase in the deposition pressure due to the difference of sputtering yield. The grain size and surface roughness of films increased with an increase in the deposition pressure. The dielectric constant of BFO films prepared at various conditions shows $127{\sim}187$ at 1 kHz. The leakage current density of BFO films annealed at $500^{\circ}C$ was approximately two orders of magnitude lower than that of $550^{\circ}C$. The leakage current density of the BFO films deposited at $10{\sim}30\;m$ Torr was about $5{\times}10^{-6}{\sim}3{\times}10^{-2}A/cm^2$ at 100 kV/cm. Due to the high leakage current, saturated P-E curves were not obtained in BFO films. BFO film annealed at $500^{\circ}C$ exhibited remnant polarization(2Pr) of $26.4{\mu}C/cm^2$ at 470 kV/cm.
[ $Sr_xBa_{1-x}Nb_2O_6$ ] (SBN, $0.25{\leq}x{\leq}0.75$) ceramic is a ferroelectric material with tetragonal tungsten bronze (TTB) type structure, which has a high pyroelectric coefficient and a nonlinear electro-optic coefficient value. In spite of its advantages, SBN has not been investigated well compared to other ferroelectric materials with perovskite structure. In this study, SBN thin film was manufactured by ion beam sputtering technique using the prepared SBN target in $Ar/O_2$ atmosphere. SBN30 thin films of different thickness were pre-deposited as a seed layer on $Pt(100)/TiO_2/SiO_2/Si$ substrate followed by SBN60 deposition up to $4500\;{\AA}$ in thickness. As-deposited SBN60/SBN30 layer was heat-treated at different temperatures of 650, 700, 750, and $800\;^{\circ}C$ in air, respectively, The crystallinity and orientation behavior as well as electric properties of SBN60/SBN30 multi-layer were examined. The deposited layer was uniform and the orientation was shown primarily along (001) plane from XRD pattern. There was difference in the crystal structure with heat-treatment temperature, and the electric properties depended on the heating temperature and the seed-layer thickness. In electric properties of Pt/SBN60/SBN30/Pt thin film capacitor prepared, the remnant polarization (2Pr) value was $15\;{\mu}C/cm^2$, the coercive field (Ec) 65 kV/cm, and the dielectric constant 1492, respectively.
본 연구에서는 PLZT(10/30/70), PLT(10), PZT(30/70) 강유전체 박막을 이용한 quasi-MFISFET (Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor FET) 소자를 제작하여 드레인 전류 특성을 조사하였다. 이로부터, quasi-MHSFET 소자의 드레인 전류 크기가 강유전체 박막의 분극 크기에 따라 직접적인 영향을 받으며 결정된다는 사실을 알 수 있었다. 또, ${\pm}5V$ 와 ${\pm}10V$의 게이트 전압변화를 주었을 때 메모리 윈도우는 각각 0.5V 와 1.3V 이었고, 강유전체 박막에 인가되는 전압에 의해 만들어지는 항전압의 변동에 따라 메모리 윈도우가 변화된다는 사실을 확인할 수 있었다. MFISFET 소자의 retention 특성을 알아보기 위 해 PLZT(10/30/70) 박막의 전기장과 시간지연에 따른 누설전류 특성을 측정하여 전류밀도 상수 $J_{ETO}$, 전기장 의존 요소 K, 시간 의존 요소 m을 구하고, 이들 파라미터를 이용하여 시간에 따른 전하밀도의 변화를 정량적으로 분석하였다.
Thickness dependence of crystallographic orientation of diol based sol-gel derived PZT(52/48) films on dielectric and piezoelectric properties was investigated The thickness of each layer by one time spinning was about 0.2 $\mu\textrm{m}$, and crack-free films was successfully deposited on 4 inches Pt/Ti/SiO$_2$/Si substrates by 0.5 mol solutions in the range from 0.2 $\mu\textrm{m}$ to 3.8 $\mu\textrm{m}$. Excellent P-E hysteresis curves were achieved without pores or any defects between interlayers. As the thickness increased , the (111) preferred orientation disappeared from 1$\mu\textrm{m}$ to 3 $\mu\textrm{m}$ region, and the orientation of films became random above 3 $\mu\textrm{m}$. Dielectric constants and longitudinal piezoelectric coefficient d$\_$33/, measured by pneumatic method were saturated around the value of about 1400 and 300 pC/N respectively above the thickness of 0.8 7m. A micromachined piezoelectric cantilever have been fabricated using 0.8 $\mu\textrm{m}$ thickness PZT (52/48) films. PZT films were prepared on Si/SiN$\_$x/SiO$_2$/Ta/Pt substrate and fabricated unimorph cantilever consist of a 0.8 fm thick PZT layer on a SiNx elastic supporting layer, which becomes vibration when ac voltage is applied to the piezoelectric layer. The dielectric constant (at 100 kHz) and remanent polarization of PZT films were 1050 and 25 ${\mu}$C/$\textrm{cm}^2$, respectively. Electromechanical characteristics of the micromachined PZT cantilever in air with 200-600 $\mu\textrm{m}$ lengths are discussed in this presentation.
본연구에서는 금속타겟을 이용한 반응성 스퍼터링법을 이용하여 PZT 박막의 전극 및 계면 특성의 개선을 위해, $Pt/SiO_{2}/Si$과 $Ir/SiO_{2}/Si$기판을 각각 사용하였으며, buffer layer로는 $PbTiO_{3}$을 이용하였다. Pt하부전극을 이용하여 PZT 박막제조시 randomly oriented PZT 박막이 얻어졌으나, buffer layer를 이용한 경우 (100)으로 배향된 결정성이 좋은 PZT 박막을 얻을 수 있었다. Ir하부전극을 이용한 경우, buffer layer증착에 따른 PZT 박막의 상형성이 다소 증진되었으며, Pt하부전극의 경우에 비해 잔류분극의 증가와 항전계의 감소를 관찰할 수 있었다. PZT 박막제조시 buffer layer의 이용에 따라 유전율이 증가함을 알 수 있었으며, 또한 Ir하부전극의 경우가 Pt하부전극의 경우보다 더 좋은 유전특성이 얻어졌다.
공기 오염에 의해 $SO_2$가 포함된 공기가 PEMFC cathode에 유입되어 전극 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 오염된 공기 접촉 후 저하된 성능회복을 위해 청정공기 유입, 순환전압측정법(cycle voltammetry, CV), 고전압 체류법(high voltage holding)을 사용하였다. 공기에 혼합된 $SO_2$농도 범위는 20 ppb~1.3 ppm이었다. 성능 감소 및 회복 측정은 일정전류에서 전압변화를 측정하는 방법, I-V 분극곡선 측정법, 임피던스측정법을 이용하였다. 20 ppb 농도로 $SO_2$를 200시간 주입 후 전지 전압은 주입 전보다 17 mV 감소하였다. 청정공기 주입, CV, 고전압체류방법에 의해 S가 Pt로부터 탈착되어 전지성능은 일부 회복되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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