[논문]습식화학방법에 의해 다양한 기판위에 ZnO 나노구조물의 성장

이삼동; 진미진; 신경식; 정순욱; 김상우

doi:10.4313/jkem.2008.21.7.599

습식화학방법에 의해 다양한 기판위에 ZnO 나노구조물의 성장
Growth of ZnO Nanostructures on Various Substrates by Simple Aqueous Solution Method 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.7, 2008년, pp.599 - 602

이삼동 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 진미진 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 신경식 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 정순욱 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 김상우 (금오공과대학교 신소재시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Growth of well-aligned ZnO nanostructures on various substrates such as GaN, ITO/glass, and sapphire was realized via a simple aqueous solution method at low temperature of $90^{\circ}C$. Morphology of ZnO nanostructures grown on various substrates as function of substrate was studied. It was found that ZnO nanostructures is a strong function of substrate. It was clearly observed that the morphology of ZnO nanostructures could be varied by change of substrate. Morphology, crystallinity, and crystal characteristics were carried out by FE-SEM, synchrotron x-ray scattering measurements, and high-resolution electron microscopy, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 습식화학방법을 통하여 90 笆의 저온에서 GaN, ITO, AI2O₃의 다양한 기판위에 ZnO 나노 구조물을 성장 시켜 기판에 따른 ZnO 나노 구조물의 성장에 대한 영향을 연구하였다. FE-SEM 분석 결과 기판에 따라 성장된 ZnO 나노 구조물의 형태 및 나노구조물이 영향을 받음을 확언 할 수 있었다.
합성하였다. 습식화학방법에 있어서 기판의 선택에 따른 ZnO 나노구조물의 형태 변화 및 물성에 대해 연구하였다.

제안 방법

후 DI water에 헹궈 세척하였다. ZnO 나노 구조물의 성장을 위해서 기판위에 씨드 형성 용액으로 zinc acetate (5 mM)와 DI water 혼합용액을 준비하고, 이 혼합 용액에 각각 2개의 GaN, ITO/glass, AI2O3 기판을 담궈 5분과 20분 동안 각각의 기판 위에 ZnO 씨드를 형성시켰다. 씨드 형성 후, 기판과 ZnO 씨드 층의 접착성을 높이기 위해 샘플을 100 ℃에서 20분 동안 열처리하였다.
씨드 형성 후, 기판과 ZnO 씨드 층의 접착성을 높이기 위해 샘플을 100 ℃에서 20분 동안 열처리하였다. 그 후, 씨드가 형성된 기 판을 zinc nitrate hexahydrate (25 mM), hexamethylenetetramine (25 mMf HMT), DI water 혼합용액에 90 ℃에서 4시간동안 담궈각각의 기판위에 형성된 ZnO 씨드위에 ZnO 나노 구조물을 성장시켰다. 성장된 샘플을 용액에서 꺼낸 후, 용액 내에서 성장된 프리스탠딩 ZnO 나노 구조물을 기판 위에 성장된 나노구조물에서 제거하기 위해, DI water■에서 30초 동안 ultra sonic 후 N2 가스로 불어주었다.
Lattice mismatch가 작은 물질의 경우 수직성장이 가능하였으며, lattice mismatch가 큰 물질의 경우 기판의 영향을 받아 랜덤하게 ZnO 나노 구조물이 성장하였다. 또한 ZnO 씨드층의 밀도조절을 통해 ITO 기판위에 나노로드를 수직 성장시켰으며, GaN 기판면을 따라 ZnO 나노로드를 성장시켰다. 이를 통해 씨드층의 조절을 통해 나노 구조물의 형태 및 방향성을 변화 시킬 수 있음을 확인하였다.
이를 통해 씨드층의 조절을 통해 나노 구조물의 형태 및 방향성을 변화 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 기판과 성장된 ZnO 나노 구조물과의 에피택시 관계를 확인하였다.
먼저, GaN, ITO/glass, A12O₃ 기판을 아세톤과 메탄올 용액에서 각각 5분씩 ultra sonic 처리를 한 후 DI water에 헹궈 세척하였다. ZnO 나노 구조물의 성장을 위해서 기판위에 씨드 형성 용액으로 zinc acetate (5 mM)와 DI water 혼합용액을 준비하고, 이 혼합 용액에 각각 2개의 GaN, ITO/glass, AI2O3 기판을 담궈 5분과 20분 동안 각각의 기판 위에 ZnO 씨드를 형성시켰다.
본 연구에서는 합성 공정이 단순한 습식 화학 방법을 이용하여 저온에서 다양한 기판위에 ZnO 나노 구조물을 합성하였다. 습식화학방법에 있어서 기판의 선택에 따른 ZnO 나노구조물의 형태 변화 및 물성에 대해 연구하였다.
성장된 샘플의 표면 형상 관찰과 기판과의 관겨】, 결정학적 분석, 광학적 특성 등의 관찰을 위해field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), synchrotron x-ray scattering measurements, high-resolution transmission microscopy (HR-TEM)분석을 실시하였다.

대상 데이터

그림 3. GaN 기판위에 성장한 ZnO 나노로드 TEM 이미지. (a) 단일 ZnO 나노로드의 BF TEM 이미지 (b) HR-TEM 이미지.

성능/효과

FE-SEM 분석 결과 기판에 따라 성장된 ZnO 나노 구조물의 형태 및 나노구조물이 영향을 받음을 확언 할 수 있었다. Lattice mismatch가 작은 물질의 경우 수직성장이 가능하였으며, lattice mismatch가 큰 물질의 경우 기판의 영향을 받아 랜덤하게 ZnO 나노 구조물이 성장하였다.
Synchrotron x-ray scattering measurements와 TEM 분석을 통해 습식화학방법을 통해 성장된 ZnO 나노로드 또한 기존의 다른 방법으로 형성된 ZnO 나노로드와 마찬가지로 고품질의 단결정 나노와이어이며 비등방성의 c-축 성장을 통해 나노 로드 형태의 ZnO 나노구조물을 형성함을 볼 수 있었다.
이와 같은 [0001] 방향으로 ZnO 나노로드의 비등방성 성장은 ZnO c-축 고유의 극성의 성질 때문이라고 사료된다. TEM 결과에서도 알 수 있듯이 습식 화학 방식으로 통해 성장된 ZnO 나노로드는 단결정 이며 c-축 성장을 함을 알 수 있다.
이를 통해 성장된 ZnO 나노 로드는 기판에 대해 (0002) 면으로 수직성장 하였음을 알 수 있다, 그림 2(b)는, 동일 시편에 대한 ZnO (上향五)와 GaN 0成2)면을 따라 phi scans 한 결과이다. 그 결과 그림에서 보는 바와 같이 성장된 ZnO 나노로드는 GaN 박막위에서 에피텍시 성장하였음을 확인할 수 있었다. 이는 습식 화학 방식을 통해 GaN 기판위에 성장한 ZnO 나노 로드 또한 CVD에서 성장한 ZnO 나노로드와 마찬가지로 기판에 대해 에피텍시 성장함을 알 수 있다.
그림 (c)와 (d)는 ITO 기판 위에서 성장한 ZnO 나노로드의 이미지이다. 씨드 dipping 시간이 증가함에 따라 성장된 나노로드의 밀도가 증가하고 나노로드간의 상호 반발력에 의한 수직배향이 가능함을 볼 수 있다. 즉, 씨드의 형성 시간에 따라 성장된 나노로드의 밀도 및 배향성을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한 ZnO 씨드층의 밀도조절을 통해 ITO 기판위에 나노로드를 수직 성장시켰으며, GaN 기판면을 따라 ZnO 나노로드를 성장시켰다. 이를 통해 씨드층의 조절을 통해 나노 구조물의 형태 및 방향성을 변화 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 기판과 성장된 ZnO 나노 구조물과의 에피택시 관계를 확인하였다.

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