[논문]수용액 합성법에 의한 ZnO 이중 나노구조물의 합성

채기웅; 김정석

doi:10.4191/kcers.2009.46.6.596

수용액 합성법에 의한 ZnO 이중 나노구조물의 합성
Fabrication of Double-layered ZnO Nanostructures by an Aqueous Solution Growth 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.6 = no.325, 2009년, pp.596 - 601

채기웅 (호서대학교 신소재공학과) , 김정석 (호서대학교 BK21 대학원 반도체디스플레이공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Double-layered ZnO nanostructures have been synthesized by aqueous solution method on (001) plane of ZnO nanorod. A stepwise changing of aqueous solution concentration gave rise to a new nano-structured layer consisting of either multiple of nanorods or nanowires with much smaller radii than that of the ZnO nanorod on which the new layer was grown. As the first step the ZnO nanorods have been grown to have the (001) preferential orientation in the aqueous solution consisting of 0.1M zinc nitrate and 0.1 M HMT. This preferentially aligned ZnO nanorods have been regrown in either a less diluted solution of 0.01M zinc nitrate and 0.01 M HMT or a more diluted solution of 0.005M zinc nitrate and 0.01 M HMT. A new nano-layer consisting of numerous aligned nanorods or nanowires has been produced on the (001) planes of ZnO nanorods. The growth mechanism for this double layered ZnO nanostructure is ascribed to the (001) polar surface energy instability and inhibition of (001) plane growth due to the step-wise change of aqueous solution concentration; ZnO nuclei formed on the (001) plane grow preferentially in (010) plane instead of (001) plane to reduce the total surface energy. Surface area of ZnO nanostructure can be increased in orders of magnitudes by forming a new layer consisting of smaller nanorods/nanowires on (001) plane of ZnO nanorods.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 ZnO 나노구조물을 손쉽게 합성할 수 있는 수용액 합성법 (aqueous solution growth)을 이용하여 배향성이 우수하면서 동시에 비표면적을 대폭 증가시킨 ZnO 나노구조물을 얻고자 하였으며, 다양한 형태의 ZnO 나노 구조물을 효과적으로 제어하며 합성할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다. ZnO 나노결정의 형상이 성장 수용액의 농도에 따라 다양하게 변화하는 점을 이용하여, ZnO 나노결정 성장과정에서 수용액의 농도를 2단계에 걸쳐 바꾸어 주어 ZnO 나노로드(nanorod) 위에 새로운 ZnO 나노 로드와 나노와이어 (nanowire)가 한방향으로 정열하여 성장하는 이 중 나노구조물을 합성하고자 하였다.
ZnO 나노결정의 형상이 성장 수용액의 농도에 따라 다양하게 변화하는 점을 이용하여, ZnO 나노결정 성장과정에서 수용액의 농도를 2단계에 걸쳐 바꾸어 주어 ZnO 나노로드(nanorod) 위에 새로운 ZnO 나노 로드와 나노와이어 (nanowire)가 한방향으로 정열하여 성장하는 이 중 나노구조물을 합성하고자 하였다. 아울러, 관찰되는 미세조직의 변화를 통해 이들 ZnO 나노 구조물 의성장 기구에 대해 고찰하였다.

가설 설정

01 M)에서 성장시키는 과정에서, polar (001) 면과 non-polar (010)면의 상대적 표면에너지 차이가 급격히 증가하는 것으로 판단되는데, 이는 Fig. 2(a)와 (b) 의미세조직의 변화로부터 예측가능하다. 수용액 내의 Zn 이온의 저포화도로 인해 비교적 큰 표면에너지를 갖는 불안정한 polar (001)면의 성장은 제한을 받게 된다.

제안 방법

Figs, 3과 6의 결과로 부터 ZnO 나노결정 성장 과정에서 수용액의 농도를 변화시키는 2단계 성장법을 사용함으로써 다양한 ZnO 이중나노구조물의 합성이 가능성을 확인하였다. ZnO 나노 이중구조물로 인해 비표면적이 대폭 증가하는 효과를 얻을 수 있으며, 이같은 ZnO 이중나노구조물은비뵤면적 증대 효과를 활용한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 믿어진다.
하였다. ZnO 나노결정의 형상이 성장 수용액의 농도에 따라 다양하게 변화하는 점을 이용하여, ZnO 나노결정 성장과정에서 수용액의 농도를 2단계에 걸쳐 바꾸어 주어 ZnO 나노로드(nanorod) 위에 새로운 ZnO 나노 로드와 나노와이어 (nanowire)가 한방향으로 정열하여 성장하는 이 중 나노구조물을 합성하고자 하였다. 아울러, 관찰되는 미세조직의 변화를 통해 이들 ZnO 나노 구조물 의성장 기구에 대해 고찰하였다.
나누어 ZnO 나노결정으로 성장시켰다. 우선, 1 단계 과정으로 ZnO 막이 증착된 ITO 기판 위에 잘 정열된 ZnO 나노로드(nanorod)를 성장시켰다. 즉, ZnO 막(종자 정)이 코팅 된 유리기 판을 0.
01 M의 HMT로 하였匸" 이후 각각을 90℃에서 1~20시간동안 성장시간을 달리하며 ZnO 결정을 성장시켰다. 이렇게 얻어진 ZnO 나노구조물들은 이온교환수로 세척하고 건조시킨 후 주사전자현미경 (SEM, Quanta 200)을이용하여 미세조직을 관찰하였으며, XRD 분석을 통해서는 ZnO 나노구조물의 결정성과 배향성을 확인하였다.
6(b)에서는 polar (001)면에 미세한 ZnO 나노와이어(nanowire) 가 형성되었다. 즉, 성장 수용액의 농도감소에 의해 ZnO 결정 형상이 나노로드(nanorod)에서 나노와이어 (nanowire) 로 변화하였다. Fig.

이론/모형

ZnO 나노구조물은 수용액 합성법을 통해 제조되었다. 우선 전처리로서, ITO가 코팅된 유리기판위에 전기화학 증착법 (electrochemical deposition)으로 ZnO 막을 합성하였다.
제조되었다. 우선 전처리로서, ITO가 코팅된 유리기판위에 전기화학 증착법 (electrochemical deposition)으로 ZnO 막을 합성하였다. 이 ZnO 막은 나노구조물 성장을 위한 종자정 (seed grain) 역할을 담당한다.

성능/효과

한편으로는 이러한 구조 변화에 따른 ZnO 결정의 비표면적의 증가로 인해 발광(PL)특성이 향상된다는 것이 보고되었다.(2) 본 연구에서는 기존의 연구들과는 차별화하여 제어 가능한 변수인 성장 수용액 농도의 변화를 통해 하나의 ZnO 나노 로드 위에 다수의 나노로드를 성장시키는 2단계 성장 방법으로 ZnO 이 중 나노구조물을 얻을 수 있었으며, 비 표면적의 증가와 함께 잘 정열된 구조를 얻었다.
1 M Zn(NO)3-6H₂O 혼합 수용액 중에서는 장시간 성장시킬 경우에만 나노와이어가 합성되었다.(3) 즉, 장시간 ZnO 성장으로 인해 Zn 이온 농도가 감소한 이후에야 ZnO 나노와이어의 성장이 가능했던 것으로 판단되어진다.
특히 Fig. 2(a)의 내부에 있는 작은 미세조직은 파 단면조직인데, 이를 통해 이미 보고된5』5)바와 같이 전기화학 증착법을 통한 ZnO 종자정 (seed)은 잘 정열된 ZnO 나노 로드의 성장에 매우 효과적임을 확인할 수 있다. 그런데, 0.
한편, 묽은 농도에서 polar (001)면의 상대적인 표면에너지 증가효과는 polar면의 성장을 더욱 제한하여, 전체 뵤면에너지를 줄이기 위해 안정한 non-polar ((山))면을 선택적으로 빠르게 성장시킴으로써 하나의 나노로드 (001)면에 다수의 나노로드와 나노와이어가 생성되는 이 중 구조의 ZnO 나노구조물이 얻어졌다. ZnO 나노로드 위에 다수의 나노로드 또는 나노와이어를 합성함으로써 비표면적을 대폭 증가시킨 다양한 형상의 ZnO 나노구조물의 합성 가능함을 보여 주었다.
89로 다소 배향성이 감소한 것으로 나타났는데, 이는 미세조직의 관찰로부터 확인할 수 있듯이 더욱 작은 나노로드들이 생성 및 성장하는 과정에서 일부 (001) 면과의 정합성을 일부 상실하였기 때문으로 이해된다. 그러나 전체적으로 Fig. 5의 XRD 회절데이타로부터 2단계 성장 과정을 통해 합성된 이중나노구조물은 (001) 방향으로 효과적으로 잘 정열하여 합성할 수 있음을 확인시켜 준다. 한편, 기존의 연구에서는 ZnO 나노로드의 성장 시간을 길게 연장하는 경우 이미 성장한 ZnO 나노로드의 (001) 면이 불안정해져서 (001)면 위에 나노튜브나 나노와이어가 연속적으로 생성됨이 관찰된 바 있다.
3(b)는 3시간 성장 후 얻은 것으로 하나의 ZnO 나노로드 (001)면에 다수의 작은 나노로드 결정들이 새로이 독립적으로 성장하고 있다. 또한 기판이었던 ZnO 나노로드의 방향과 일치하며 잘 정열하여 성장한 것을 알 수 있다. 이러한 나노로드 위의 또다른 나노 로드의 이중적 구조물은 새로운 작은 나노로드의 성장에 의해 ZnO 결정 전체의 비표면적이 대폭 증가하게 된다.

후속연구

ZnO 나노 이중구조물로 인해 비표면적이 대폭 증가하는 효과를 얻을 수 있으며, 이같은 ZnO 이중나노구조물은비뵤면적 증대 효과를 활용한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 믿어진다. 추후 이들 제어된 ZnO 이 중 나노 구조물의 물성에 대한 상세한 연구가 필요할 것으로 믿어진다.
ZnO 나노 이중구조물로 인해 비표면적이 대폭 증가하는 효과를 얻을 수 있으며, 이같은 ZnO 이중나노구조물은비뵤면적 증대 효과를 활용한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 믿어진다. 추후 이들 제어된 ZnO 이 중 나노 구조물의 물성에 대한 상세한 연구가 필요할 것으로 믿어진다.

참고문헌 (21)

L. Vayssiers, K. Keis, S. E. Lindquist, and A. Hagfeldt, “Purpose Built Anisotropic Metal Oxide Material : 3D Highly Oriented Microrod Array of ZnO,” J. Phys. Chem., B 105 3350-52 (2001)

상세보기
D. S. Boyle, K. Govender, and P. O'Brien, “Novel Low Temperature Solution Deposition of Perpendicularly Oriented Rods of ZnO: Substrate Effects and Evidence of the Importance of Counter-ions in the Control of Crystalline Growth,” Chem. Commun., 80-81 (2002)

상세보기
B. Liu and H. C. Zeng, “Hydrothermal Synthesis of ZnO Nanorods in the Diameter Regime of 50 nm,” J. Am. Chem. Soc., 125 4430-31 (2003)

상세보기
X. Feng, L. Feng, M. Jin, J. Zhai, L. Jiang, and D. Zhu, “Reversible Super-hydrophobicity to Super Hydrophilicity Transition of Aligned ZnO Nanorod Films,” J. Am. Chem. Soc., 126 62-3 (2004)

상세보기
Y. J. Kim, H. Shang, and G. Cao, “Growth and Characterization of [001] ZnO Nanorod Array on ITO Substrate with Electric Field Assisted Nucleation,” J. Sol-Gel Sci. Tech., 38 79-84 (2006)

상세보기
A. Sugunam, H. C. Warad, M. Boman, and J. Dutta, “Zinc Oxide Nanowires in Chemical Bath on Seeded Substrate: Role of Hexamine,” J. Sol-Gel Sci. Techn., 39 49-56 (2006)

상세보기
H. T. Ng, J. Li, M. K. Smith, P. Nguyen, A. Cassell, J. Han, and M. Meyyappan, “Growth of Epitaxial Nanowires at the Junction of Nanowalls,” Science, 300 1249 (2003)

상세보기
J. Y. Lao, J. Y. Huang, D. Z. Wang, Z. F. Ren, D. Steeves, B. Kimball, and W. Porter “ZnO Nanowalls,” Appl. Phys. A., 78 539-42 (2004)

상세보기
Y. J. Kim, G. Cao, Y. C. Kim, S. J. Ahn, and J. W. Min, “Fabrication of 2-Dimensional ZnO Nanowall Structure,” J. Ceram. Soc., 42 [7] 521-24 (2005)

원문보기 상세보기
L. Vayssieres, K. Keis, A. Hagfeldt, and S. E. Lindquist, “Three Dimensional Array of Highly Oriented Crystalline ZnO Microtubes,” Chem. Mater., 13 4395-98 (2001)

상세보기
H. Yu, Z. Zhang, M. Han, X. Hao, and F. Zhu, “A General Low-temperature Route for Large-scale Fabrication of Highly Oriented ZnO Nanorod/nanotube Arrays,” J. Am. Chem. Soc., 127 2378-79 (2005)

상세보기
Y. Sun, G. M. Fuge, N. A. Fox, D. J. Rily, and M. N. R. Ashfold, “Synthesis of Aligned Arrays of Ultrathin ZnO Nanotubes on a Si Wafer Coated with a Thin ZnO Film,” Adv. Mater., 17 2477-81 (2005)

상세보기
Q. Li, V. Kumar, Y. Li, H. Zhang, T. J. Marks, and R. P. H. Chang, “Fabrication of ZnO Nanorods and Nanotubes in Aqueous Solution,” Chem. Mater., 17 1001-06 (2005)

상세보기
X. Kong, X. Sun, X. Li, and Y. Li, “Catalytic Growth of ZnO Nanotubes,” Mater. Chem. and Phys., 82 997-1001 (2003)

상세보기
K. W. Chae, J. S. Kim, and G. Cao, “Controlled Growth of ZnO Nanotubular Structure by a Two-step Thermal Aging in Aqueous Solution,” submitted to GJ-NST 2009 (2009)
K. Hara, T. Horiguchi, T. Kinoshita, K. Sayama, H. Sugihara, and H. Arakawa, “Highly Efficient Photon-to-electron Conversion with Mercurochrome-sensitized Nanoporous Oxide Semiconductor Solar Cells,” Sol. Energy Mater. Sol. Cell, 64 [2] 115-34 (2000)

상세보기
K. Keis, E. Magnusson, H. Lindstrom, S. E. Lindquist, and A. Hagfeldt, “A 5% Efficient Photoelectrochemical Solar Cell Based on Nanostructured ZnO Electrodes,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 73 51-8 (2002)

상세보기
N. Golego, S. A. Studenikin, and M. Cocivera, “Sensor Photoresponse of Thin-film Oxides of Zinc and Titanium to Oxygen Gas,” J. Electrochem. Soc., 147 1592-94 (2000)

상세보기
H. Yumoto, T. Inoue, S. J. Li, T. Sako, and K. Nishiyama, “Application of ITO Films to Photocatalysis,” Thin Soild Films, 345 38-41 (1999)

상세보기
S. Liang, H. Sheng, Y. Liu, Z. Hio, Y. Lu, and H. Shen, “ZnO Schottky Ultraviolet Photodetectors,” J. Cryst. Grow., 225 110-13 (2001)

상세보기
Z. R. Tian, J. A. Voigt, J. Liu, B. Mckenzie, M. J. Mcdermott, M. A. Rodriguez, H. Konishi, and H. Xu, “Complex and Oriented ZnO Nanostructures,” Nat. Mater, 2 821-26 (2003)

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증