[논문]수열합성법으로 성장된 ZnO 나노구조의 성장조건에 따른 특성

조민영; 김민수; 김군식; 최현영; 전수민; 임광국; 이동율; 김진수; 김종수; 이주인; 임재영

doi:10.3740/mrsk.2010.20.5.262

수열합성법으로 성장된 ZnO 나노구조의 성장조건에 따른 특성
Effects of Growth Conditions on Properties of ZnO Nanostructures Grown by Hydrothermal Method 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.20 no.5, 2010년, pp.262 - 266

조민영 (인제대학교 나노시스템공학과) , 김민수 (인제대학교 나노시스템공학과) , 김군식 (인제대학교 나노시스템공학과) , 최현영 (인제대학교 나노시스템공학과) , 전수민 (인제대학교 나노시스템공학과) , 임광국 (인제대학교 나노시스템공학과) , 이동율 (삼성 LED) , 김진수 (전북대학교 신소재공학부) , 김종수 (영남대학교 물리학과) , 이주인 (한국표준과학연구원) , 임재영 (인제대학교 나노시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

ZnO nanostructures were grown on an Au seed layer by a hydrothermal method. The Au seed layer was deposited by ion sputter on a Si (100) substrate, and then the ZnO nanostructures were grown with different precursor concentrations ranging from 0.01 M to 0.3M at $150^{\circ}C$ and different growth temperatures ranging from $100^{\circ}C$ to $250^{\circ}C$ with 0.3 M of precursor concentration. FE-SEM (field-emission scanning electron microscopy), XRD (X-ray diffraction), and PL (photoluminescence) were carried out to investigate the structural and optical properties of the ZnO nanostructures. The different morphologies are shown with different growth conditions by FE-SEM images. The density of the ZnO nanostructures changed significantly as the growth conditions changed. The density increased as the precursor concentration increased. The ZnO nanostructures are barely grown at $100^{\circ}C$ and the ZnO nanostructure grown at $150^{\circ}C$ has the highest density. The XRD pattern shows the ZnO (100), ZnO (002), ZnO (101) peaks, which indicated the ZnO structure has a wurtzite structure. The higher intensity and lower FWHM (full width at half maximum) of the ZnO peaks were observed at a growth temperature of $150^{\circ}C$, which indicated higher crystal quality. A near band edge emission (NBE) and a deep level emission (DLE) were observed at the PL spectra and the intensity of the DLE increased as the density of the ZnO nanostructures increased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

제안 방법

Au 씨앗층 위에 성장된 ZnO 나노구조의 전구체 용액 농도 및 성장온도에 따른 구조적, 광학적 특성을 평가하였다. 전구체 용액 농도가 0.
ZnO 나노구조가 성장된 기판을 탈이온수로 세척하였으며 질소가스로 건조하였다. ZnO 나노구조의 성장 온도 및 전구체 용액 농도에 따른 구조적 특성을 분석하기 위해 XRD (X-ray diffraction)와 FE-SEM (field-emission scanning electron microscopy)을 사용하였고, 광학적 특성평가를 위하여 He-Cd laser를 사용하여 실온에서 PL (photoluminescence) 측정을 하였다.
본 연구에서는 Si(100) 기판 위에 ion sputter로 Au 씨앗층을 증착한 후, ZnO 나노구조는 수열합성법으로 성장 온도 및 전구체 용액 농도를 변화시켜 성장하였다. 그리고 합성조건을 변화시켜 성장한 ZnO 나노구조의 구조적, 광학적 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 Si(100) 기판 위에 ion sputter로 Au 씨앗층을 증착한 후, ZnO 나노구조는 수열합성법으로 성장 온도 및 전구체 용액 농도를 변화시켜 성장하였다. 그리고 합성조건을 변화시켜 성장한 ZnO 나노구조의 구조적, 광학적 특성을 평가하였다.
성장온도에 따른 ZnO 나노구조의 특성 실험을 위해서 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2·6H2O)와 Hexamethylenetetramine (HMT-C6H12N4)를 1:1의 몰 비율로 혼합하고, 탈이온수와의 혼합비율을 조절하여 0.3 M의 용액을 만들었다.
기판은 황산(H₂SO₄)과 과산화수소수(H₂O₂)를 4:1의 비율로 혼합한 용액으로 110℃에서 15 분간 세척한 뒤, 탈이온수(Deionized water)에서 5 분간 세척하였으며, 5% 불산(HF) 용액에서 1 분간 세척한 뒤 다시 탈이온수에서 5 분간 세척하였다. 세척한 기판에 Ion sputter를 사용하여 5 nm의 Au 씨앗층을 증착한 후 수열합성법으로 ZnO 나노구조를 성장하였다. 전구체 용액 농도에 따른 ZnO 나노구조의 특성 실험을 위해서 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂·₆H₂O)와 Hexamethylenetetramine (HMT-C₆H₁₂N₄)를 1:1의 몰 비율로 혼합하고, 탈이온수와의 혼합비율을 조절하여 0.
3 M의 용액을 만들었다. 수열합성 반응기(autoclave) 안에 기판과 용액을 넣고 각각 100℃, 150℃, 250℃에서 2시간 동안 ZnO 나노구조를 성장하였다. ZnO 나노구조가 성장된 기판을 탈이온수로 세척하였으며 질소가스로 건조하였다.
전구체 용액 농도에 따른 ZnO 나노구조의 특성 실험을 위해서 Zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3)2·6H2O)와 Hexamethylenetetramine (HMT-C6H12N4)를 1:1의 몰 비율로 혼합하고, 탈이온수와의 혼합비율을 조절하여 0.05 M에서 0.5 M의 다양한 농도를 갖는 용액을 만들었다.

대상 데이터

ZnO 나노구조를 성장하기 위해 p-type Si(100) 기판을 사용하였다. 기판은 황산(H₂SO₄)과 과산화수소수(H₂O₂)를 4:1의 비율로 혼합한 용액으로 110℃에서 15 분간 세척한 뒤, 탈이온수(Deionized water)에서 5 분간 세척하였으며, 5% 불산(HF) 용액에서 1 분간 세척한 뒤 다시 탈이온수에서 5 분간 세척하였다.

성능/효과

^17-19) 하지만 수열합성법으로 성장된 ZnO나노구조에서는 화학반응 중 생성되는 Zn(OH)₂와 하이드록시기에 의해 황색 발광이 나타날 수 있다.²⁰⁾ 전구체 용액 농도가 증가함에 따라 DLE 피크의 세기가 점차 증가하였다. 이는 농도가 증가함에 따라서 생성되는 Zn(OH)₂와 하이드록시기의 양이 늘어나고 SEM 결과에서 보았듯이 밀도가 점차 증가하기 때문에 나노구조의 표면에 Zn(OH)₂와 하이드록시기가 쉽게 붙을 수 있기 때문이다.
XRD 회절 패턴에서 ZnO(100), ZnO(002), ZnO(101) 피크가 나타났으며 250℃ 보다 150℃에서 성장한 ZnO 나노구조가 높은 XRD 피크 세기와 낮은 FWHM을 나타내어 더 높은 결정성을 보였다. PL 스펙트럼에서는 낮은 NBE 피크와 강한 DLE 피크가 관찰되었으며 성장된 ZnO 나노구조의 밀도가 높을수록 DLE 피크의 세기가 강해졌다. 이는 밀도가 점차 증가함에 따라 laser source에 의해 여기된 전자가 재결합 하면서 발생하는 빛의 양이 증가했기 때문이다.
3은 Au 씨앗층 위에 성장된 ZnO 나노구조의 전구체 용액 농도에 따른 PL 스펙트럼이다. UV 영역에서 약한 NBE (near-band-edge emission)와 가시광선 영역에서 강한 DLE (deep-level emission)의 발광 피크를 보였다. NBE는 자유 엑시톤 방출에 의한 발광이고, DLE는 결함에 의한 발광이다.
이러한 결과로부터 ZnO 나노구조를 성장하기 위해서는 일정온도 이상이 되어야 하며 성장된 ZnO 나노구조의 밀도는 전구체 용액 농도에 정비례 하지만 성장온도에는 정비례 하지 않음을 알 수 있다. XRD 회절 패턴에서 ZnO(100), ZnO(002), ZnO(101) 피크가 나타났으며 250℃ 보다 150℃에서 성장한 ZnO 나노구조가 높은 XRD 피크 세기와 낮은 FWHM을 나타내어 더 높은 결정성을 보였다. PL 스펙트럼에서는 낮은 NBE 피크와 강한 DLE 피크가 관찰되었으며 성장된 ZnO 나노구조의 밀도가 높을수록 DLE 피크의 세기가 강해졌다.
성장온도에 따른 ZnO 나노구조의 밀도는 150℃에서 가장 높았으며 100℃에서는 ZnO 나노구조가 거의 성장 되지 않았다. 이러한 결과로부터 ZnO 나노구조를 성장하기 위해서는 일정온도 이상이 되어야 하며 성장된 ZnO 나노구조의 밀도는 전구체 용액 농도에 정비례 하지만 성장온도에는 정비례 하지 않음을 알 수 있다. XRD 회절 패턴에서 ZnO(100), ZnO(002), ZnO(101) 피크가 나타났으며 250℃ 보다 150℃에서 성장한 ZnO 나노구조가 높은 XRD 피크 세기와 낮은 FWHM을 나타내어 더 높은 결정성을 보였다.

후속연구

이는 밀도가 점차 증가함에 따라 laser source에 의해 여기된 전자가 재결합 하면서 발생하는 빛의 양이 증가했기 때문이다. ZnO 성장 온도 및 전구체 용액 농도의 변화로 밀도를 조절할 수 있으며 이는 소자 응용에 유용할 것이라고 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO은 무엇이며 어떤 특성이 있는가?	ZnO는 II-VI족 화합물 반도체로 wurtzite 결정구조이며 실온(room temperature)에서 3.37 eV의 넓은 밴드갭(bandgap)과 60 meV의 높은 엑시톤결합에너지(exciton binding energy)를 가지는 물질로써 UV (ultraviolet) 파장의 발광이 가능하다.1,2) 이러한 특성으로 인하여 ZnO는 반도체 저항 소자, LED (light emitting diode), LD (laser diode), FED (field emission display), TFT (thin film transistor), 센서 등의 분야에서 많은 연구가 진행되고 있으며 향후 차세대 신기능 소자 개발에 커다란 기여를 할 수 있으리라 예상되는 물질이다.
	ZnO 나노구조의 성장을 위한 방법들의 단점과 문제점으로 인해 대체 방법으로 연구된 것은?	이러한 문제점으로 인해 저온에서 ZnO 나노구조를 쉽게 성장 할 수 있는 대체 방법들이 연구 되어 있다.12-15) 이 중 수열합성법(hydrothermal method)은 제조공정이 간단하고 저온에서 ZnO 나노구조를 성장할 수 있어 대량생산이 가능하며 도핑 및 화학적 조성을 조절하기가 용이하다.16) 수열 합성 시 합성조건을 달리하면 다양한 구조 및 밀도를 가지는 ZnO가 합성되며, 이러한 구조 및 밀도는 ZnO의 광학적, 전기적 특성에 직접적으로 영향을 끼친다.
	ZnO 나노구조의 성장을 위한 방법에는 어떤 것들이 있는가?	3-5) 이처럼 많은 분야에 응용 가능성이 있기 때문에 양질의 ZnO 결정을 성장하기 위한 방법과 물성 연구가 활발하게 진행 되고 있다. ZnO 나노구조의 성장을 위한 방법에는 화학기상증착법(chemical vapor deposition),6) 열증착법(thermal evaporating),7) 분자 선에피택시(molecular beam epitaxy),8) 스퍼터링(sputtering),9) 펄스레이저증착법(pulsed laser deposition),10) 원자층증착법(atomic layer deposition)11) 등이 주로 이용되어 왔다. 그러나 이러한 합성방법들은 높은 온도, 높은 압력과 같은 성장 조건이 필요하고 비싼 장비 가격, 기판선택의 제한성, 대량생산의 어려움 등의 단점이 있다.

참고문헌 (20)

L. Vayssieres, K. Keis, A. Hagfeldt and S.-E. Lindquist,

상세보기
Y. Chen, D. M. Bagnall, H. Koh, K. Park, K. Hiraga, Z.

상세보기
H. Zhou, M. Wissinger, J. Fallert, R. Hauschild, F.

상세보기
C. J. Lee, T. J. Lee, S. C. Lyu, Y. Zhang, H. Ruh and H.

상세보기
D. H. Levy, D. Freeman, S. F. Nelson, P. J. Cowdery-

상세보기
J. J. Wu and S. C. Liu, Adv. Mater., 14(3), 215 (2002).

상세보기
M. Qiu, Z. Ye, J. Lu, H. He, J. Huang, L. Zhu and B.

상세보기
Y. W. Heo, L. C. Tien, D. P. Norton, B. S. Kang, F. Ren,
S. K. Han, S. K. Hong, H. Kim, J. W. Lee and J. Y. Lee,

원문보기 상세보기
X. M. Fan, J. S. Lian, Z. X. Guo and H. J. Lu, Appl. Surf. Sci., 239, 176 (2005).

상세보기
E. Guziewicz, I. A. Kowalik, M. Godlewski, K. Kopalko,

상세보기
S. Li, S. Zhou, H. Liu, Y. Hang, C. Xia, J. Xu, S. Gu

상세보기
S. O’Brken, L. H. K. Koh and G. M. Crean, Thin Solid Films, 516, 1391 (2008).

상세보기
J. M. Jang, J. Y. Kim and W. G. Jung, Thin Solid Films,

상세보기
S. J. Kim, H. H. Kim, J. B. Kwon, J. G. Lee, B. H. O,

상세보기
L. E. Greene, M. Law, H. Goldberger, F. Kim, J. C.

상세보기
S. A. Studeninkin, N. Golego and M. Cocivera, J. Appl. Phys., 84(4), 2287 (1998).

상세보기
M. S. Wang, E. J. Kim, J. S. Chung, E. W. Shin, S. H.

상세보기
X. L. Wu, G. G. Siu, C. L. Fu and H. C. Ong, Appl. Phys. Lett., 78(16), 2285 (2001).

상세보기
A. B. Djurisic, Y. H. Leung, K. H. Tam, Y. F. Hsu, L. Ding,

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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