[논문]합성절차에 따른 1차원 ZnO 나노구조의 형태조절과 특성평가

공보현; 박태은; 조형균

doi:10.4313/jkem.2006.19.1.013

[국내논문] 합성절차에 따른 1차원 ZnO 나노구조의 형태조절과 특성평가
Shape Control and Characterization of One-dimensional ZnO Nanostructures through the Synthesis Procedure 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.1, 2006년, pp.13 - 17

공보현 (동아대학교 신소재공학과) , 박태은 (동아대학교 신소재공학과) , 조형균 (성균관대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The one-dimensional ZnO nanostructures prepared through thermal evaporation under various cooling down procedures by changing the flow rates of the carrier gas and the reactive gas were investigated. The nanorod structures were changed into the nanonail types with a broad head through the reduction of the flow rate of the carrier gas. The decrease of the reactive gas reduced the length of the nail heads due to the limited mass transport of reactive gas. The intensity ratio of the ultraviolet emission/green emission of photoluminescence was proportional to the length of the broad head showing a larger surface area. The vertically aligned nanostructures were grown along the [0001] direction of ZnO regardless of the aligned directions. The crystal direction of the nanostructures was determined by that of the initial ZnO crystal.

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문제 정의

본 실험은 촉매를 사용하지 않고 열기상 증착법 으로 ZnO 나노구조의 합성을 수행하였고, 냉각과정을 변화시켜 1차원 ZnO 나노구조의 형태 변화와 광발광 특성에 대해 연구하였다. 감소된 운반가스 와 반응 가스로 인해 나노막대에서 나노 못 형태로 변화를 관찰하였다.
본, 연구는 열기상 증착 방법(thermal evaporation) 으로 촉매를 사용하지 않고 1차원 ZnO 나노구조를 합성하였고, 냉각공정을 변화시킴으로써 형태 변화 및 발광 특성에 관한 영향을 연구하였다. ZnO 1차원 나노구조물의 성장 시 냉각 조건을 달리함으로써 합성되는 형태 변화에 대해 연구하였고, 광학적 특성 및 구조적 특성에 대한 변화를 광발광 (Photoluminescence ; PL), 주사전자현미경 (Scanning electron microscope ; SEM), 투과 전자현미경 (Transmission electron microscope ; TEM)을, 이용해 분석하였다.

제안 방법

본, 연구는 열기상 증착 방법(thermal evaporation) 으로 촉매를 사용하지 않고 1차원 ZnO 나노구조를 합성하였고, 냉각공정을 변화시킴으로써 형태 변화 및 발광 특성에 관한 영향을 연구하였다. ZnO 1차원 나노구조물의 성장 시 냉각 조건을 달리함으로써 합성되는 형태 변화에 대해 연구하였고, 광학적 특성 및 구조적 특성에 대한 변화를 광발광 (Photoluminescence ; PL), 주사전자현미경 (Scanning electron microscope ; SEM), 투과 전자현미경 (Transmission electron microscope ; TEM)을, 이용해 분석하였다.
Ar 가스와 02가스를 각각 운반 가스와 반응가스로 사용하였다. 기판 표면부의 오염물질을 제거하기 위해 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류 수 순으로 초음파 세척기로 세척을 하였다. Zn 분말은 알루미나 보트에 넣어 반응 노 내 의 석영관 중앙 부분에, 촉매가 없는 Si 기판은 Zn 분말에서 수직으로 10 mm 떨어진 곳에 위치시켰다.
Zn 분말은 알루미나 보트에 넣어 반응 노 내 의 석영관 중앙 부분에, 촉매가 없는 Si 기판은 Zn 분말에서 수직으로 10 mm 떨어진 곳에 위치시켰다. 석영관은 진공펌프를 이용해 15분 동안 압력을 1(尸 torr까지 내린 후, 500 seem의 Ar 가스로 반 응노의 세정을 실시하였다. 이후 온도를 23 t/min 로 30분 동안 700 ℃까지 상승시켰고, 온도를 올리 는 동안에도 Ar 가스를 500 seem으로 계속 흘려 주었다.
ZnO 나노구조의 형태 및 구조적 특성을 FESEM과 TEM으로 분석하였다. 그리고 광학적 특성은 325 nm 파장의 10-mW헬륨-카드뮴 레이저로 발광 특성을 측정했다.
ZnO 나노구조의 형태 및 구조적 특성을 FESEM과 TEM으로 분석하였다. 그리고 광학적 특성은 325 nm 파장의 10-mW헬륨-카드뮴 레이저로 발광 특성을 측정했다.
그러나 head의 길이와 너비는 냉각과 정시 기체의 흐름과 냉각 시간을 변화시켜 줌으로써 달라졌다. Ar과。2 가스를 흘려주지 않고 냉각시킨 시편 A의 경우 감속 된。2와 Ar 가스가 남아있는 반응노 내에 잔류하는 02가스와 Zn 기상을 나노구조가 형성된 영역으로 이동시켰다. 이것은 나노구조 표면에서의 제한된 반응과 육각면 형태를 가진 나노 못 구조로 인해 야기되었다 [8].
TEM을 이용해 Si 기판에서 합성된 ZnO 나노 구조의 미세구조를 관찰하였다. 그림 3에 있는 시편 B의 TEM 사진은 수직적으로 정렬된 나노막대가 불균일하게 기울어진 모습을 보여준다.
그림 4는 광 발광 특성을 비교하기 위해 상온에서 측정한 PL 결과를 보여준다. 모든 시편에서 380 nm 의 강한 UV 영역의 발광 (band edge emission)과 500 nm 부근에서 녹색 영역의 파장을 관찰하였다. 녹색영역의 파장이 같은 위치에서 나타나는 것으로 판단해 볼 때 원인은 ZnO 나노막대의 외벽에 존재하는 산소 공공 때문이다 [16].
1 차원 ZnO 나노구조의 상온 PL 결과이다. UV 파장의 강도를 동일화시킨 후 UV/green 강도비를 비교하였다.
5. Schematic models for the shape change of the 1-D ZnO nanostructures depending on the cooling down procedure that was conducted.
본 실험은 촉매를 사용하지 않고 열기상 증착법 으로 ZnO 나노구조의 합성을 수행하였고, 냉각과정을 변화시켜 1차원 ZnO 나노구조의 형태 변화와 광발광 특성에 대해 연구하였다. 감소된 운반가스 와 반응 가스로 인해 나노막대에서 나노 못 형태로 변화를 관찰하였다. 또한 02가스가 양이 감소된 상태에서 반응 시간(시편 B)을 늘리는 것과 냉각 시 증가된 02의 흐름(시편 C) 때문에 육각 모양의 못 머리의 길이가 증가하는 것을 알 수 있었다.

성능/효과

반면에 계속해서。2와 Ar 가스를 흘려주며 냉각시킨 시편 C의 경우 Zn 기상과。2 가스의 원활한 흐름과, 많은 반응기체 원자로 1차원 나노구조의 모든 영역에서 반응이 일어나 기둥 모양의 형상을 나타내었다. Ar 가스를 증가시켜 냉각시킨 시편 D는 빠른 유속으로 인해 잔류한。2 가스와 나노구조와의 반응 속도가 증가하여 육각 모양의 head가 없는 1차원 나노선 형태를 나타내었다. 증가한 가스양과 유속으로 반응은 나노구조물 전체에서 이루어져[0001] 방향을 따라 빠른 성장을 보여주고 있다.
냉각 시 나노구조의 형태에 따른 기체 흐름의 영향을 보여준 이런 결과들은 표면 반응이 700 ℃ 의 고온에서 쉽게 일어나고, 원재료의 이동이 성장 속도를 결정짓는 주요한 메카니즘이라는 것을 의미한다. 결과적으로, 냉각시 반응성 02가스의 흐름과 Ar 운반 가스의 흐름을 변화시킴으로써 일차원 ZnO 나노구조의 형태를 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.
결론적으로 ZnO 나노막대(혹은 나노 못)의 형태 는 냉각과정에서 반응 가스와 운반 가스의 흐름 속도 를 조절함으로써 변화시킬 수 있었다.
감소된 운반가스 와 반응 가스로 인해 나노막대에서 나노 못 형태로 변화를 관찰하였다. 또한 02가스가 양이 감소된 상태에서 반응 시간(시편 B)을 늘리는 것과 냉각 시 증가된 02의 흐름(시편 C) 때문에 육각 모양의 못 머리의 길이가 증가하는 것을 알 수 있었다.

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