스핀코팅 방법으로 제작된 ZnO 박막의 두께에 따른 구조적 및 광학적 특성 Effects of Thickness on Structural and Optical Properties of ZnO Thin Films Fabricated by Spin Coating Method원문보기
스핀코팅 방법으로 제작된 ZnO박막의 두께에 따른 구조적 및 광학적 특성에 관한 연구를 수행하였다. ZnO 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 줄무늬 모양의 폭과 밀도가 증가하고, 두께가 450 nm 일 때 줄무늬 모양은 사라지며 표면이 매끄러워졌다. ZnO 박막의 표면이 매끄러워졌을 때 orientation factor ${\alpha}_{(002)}$가 급격히 증가하였고, (002) 회절 피크의 FWHM (full width at half maximum)는 감소하였다. ZnO 박막의 NBE (near-band edge emission) 피크의 위치는 두께와 표면 형태의 영향을 거의 받지 않았으나, 매끄러운 표면을 갖는 ZnO 박막의 DLE (deep level emission) 피크의 위치는 청색편이 하였다. ZnO 박막의 두께가 증가함에 따라 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광세기 비율이 증가하는 경향을 보였고, NBE 피크의 FWHM은 감소하는 경향을 보였다.
스핀코팅 방법으로 제작된 ZnO 박막의 두께에 따른 구조적 및 광학적 특성에 관한 연구를 수행하였다. ZnO 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 줄무늬 모양의 폭과 밀도가 증가하고, 두께가 450 nm 일 때 줄무늬 모양은 사라지며 표면이 매끄러워졌다. ZnO 박막의 표면이 매끄러워졌을 때 orientation factor ${\alpha}_{(002)}$가 급격히 증가하였고, (002) 회절 피크의 FWHM (full width at half maximum)는 감소하였다. ZnO 박막의 NBE (near-band edge emission) 피크의 위치는 두께와 표면 형태의 영향을 거의 받지 않았으나, 매끄러운 표면을 갖는 ZnO 박막의 DLE (deep level emission) 피크의 위치는 청색편이 하였다. ZnO 박막의 두께가 증가함에 따라 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광세기 비율이 증가하는 경향을 보였고, NBE 피크의 FWHM은 감소하는 경향을 보였다.
Thickness effects on the structural and optical properties of ZnO thin films fabricated by spin coating method have been carried out. With increase in the thickness of the ZnO thin films, the width and density of striation shape are increased. The ZnO thin film with thickness of 450 nm has a smooth ...
Thickness effects on the structural and optical properties of ZnO thin films fabricated by spin coating method have been carried out. With increase in the thickness of the ZnO thin films, the width and density of striation shape are increased. The ZnO thin film with thickness of 450 nm has a smooth surface morphology. For the ZnO thin film with a smooth surface, orientation factor ${\alpha}_{(002)}$ is sharply increased and FWHM of (002) diffraction peak is decreased compared to the ZnO thin films with a striation shape surface. Thickness and surface morphology of the ZnO thin films hardly affect the NBE peak position. However, the DLE peak position is blue-shifted as the surface morphology is changed from striation to smooth surface. The PL intensity ratio of the NBE to DLE is increased and the FWHM of NBE peak is decreased as the thickness of the ZnO thin films is increased.
Thickness effects on the structural and optical properties of ZnO thin films fabricated by spin coating method have been carried out. With increase in the thickness of the ZnO thin films, the width and density of striation shape are increased. The ZnO thin film with thickness of 450 nm has a smooth surface morphology. For the ZnO thin film with a smooth surface, orientation factor ${\alpha}_{(002)}$ is sharply increased and FWHM of (002) diffraction peak is decreased compared to the ZnO thin films with a striation shape surface. Thickness and surface morphology of the ZnO thin films hardly affect the NBE peak position. However, the DLE peak position is blue-shifted as the surface morphology is changed from striation to smooth surface. The PL intensity ratio of the NBE to DLE is increased and the FWHM of NBE peak is decreased as the thickness of the ZnO thin films is increased.
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제안 방법
ZnO 박막의 표면이 매끄러워짐에 따라 orientation factor α(002)가 급격히 증가하였고, (002) 회절 피크의 FWHM도 감소하였다. ZnO 박막의 NBE 피크의 위치는 두께와 표면 형태의 영향을 거의 받지 않았으나, 매끄러운 표면을 갖는 ZnO 박막의 DLE 피크의 위치는 청색편이 하였다. ZnO 박막의 두께가 증가함에 따라 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광세기 비율이 증가하는 경향을 보였고, NBE 피크의 FWHM은 감소하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 스핀코팅 횟수를 조절하여 다양한 두께의 ZnO 박막을 제작하였다. 두께에 따른 구조적, 광학적 특성을 분석하기 위하여 field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), room temperature (RT) photoluminescence (PL)를 이용하였다.
본 연구에서는 스핀코팅 횟수를 조절하여 다양한 두께의 ZnO 박막을 제작하였다. 두께에 따른 구조적, 광학적 특성을 분석하기 위하여 field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), room temperature (RT) photoluminescence (PL)를 이용하였다.
그 후에 남아있는 용매와 유기 잔여물을 제거하고 gel 상태의 ZnO 박막을 제작하기 위해서 hot plate 위에서 300o C로 10분 동안 열처리하고, 크랙(crack) 생성을 방지하기 위하여 hot plate 위에서 상온까지 자연 냉각시켰다. 이러한 공정을 2, 3, 5, 9회 반복하여 210, 260, 350, 450 nm의 두께를 가진 ZnO 박막을 얻었다. 그 후 500o C에서 1시간 동안 열처리하여 ZnO 박막의 제작을 완료하였다.
대상 데이터
ZnO 박막은 p-type Si (100) 기판 위에 스핀코팅 방법을 이용하여 제작하였다. ZnO 박막 제작을 위한 precursor 용액을 준비하기 위하여 용질은 zinc acetate dihydrate [Zn(CH3COO)2 2H2O]를, 용매로는 2-methoxyethanol (CH3 OCH2CH2OH)을, 안정제로는 monoethanolamine (C2H7NO) 을 사용하였다. Zinc acetate dehydrate를 2-methoxyethanol에 용해시킨 후, monoethanolamine을 첨가하였다.
스핀코팅 방법을 이용하여 다양한 두께를 가지는 ZnO 박막을 Si 기판 위에 성장시켰다. ZnO 박막의 두께가 두꺼워 짐에 따라 줄무늬 모양의 폭과 밀도가 증가하였다.
이론/모형
ZnO 박막은 p-type Si (100) 기판 위에 스핀코팅 방법을 이용하여 제작하였다. ZnO 박막 제작을 위한 precursor 용액을 준비하기 위하여 용질은 zinc acetate dihydrate [Zn(CH3COO)2 2H2O]를, 용매로는 2-methoxyethanol (CH3 OCH2CH2OH)을, 안정제로는 monoethanolamine (C2H7NO) 을 사용하였다.
성능/효과
그리고, 오른쪽 열((b1), (b2), (b3), (b4))은 ZnO 박막의 두께에 따른 확대된 SEM 이미지이다. ZnO 박막의 두께가 210 nm일 때 줄무늬 모양이었으며, 두께가 260 nm와 350 nm로 두꺼워질수록 줄무늬 모양의 폭과 밀도가 증가하였다. 이러한 줄무늬 모양은 ZnO 박막을 예열한 후, 천천히 냉각시키는 경우에 나타난다고 보고되고 있다[16].
스핀코팅 방법을 이용하여 다양한 두께를 가지는 ZnO 박막을 Si 기판 위에 성장시켰다. ZnO 박막의 두께가 두꺼워 짐에 따라 줄무늬 모양의 폭과 밀도가 증가하였다. 두께를더 증가시켰을 때 ZnO 박막의 표면은 매끄러워졌다.
6은 두께에 따른 ZnO 박막의 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광 세기 비율과 NBE 피크의 FWHM을 나타낸 것이다. ZnO 박막의 두께가 두꺼워질수록 발광 세기 비율은 약간의 변동(fluctuation)은 보였으나 전체적으로 0.13에서 0.21로 증가하는 경향을 보였다. Fig.
ZnO 박막의 NBE 피크의 위치는 두께와 표면 형태의 영향을 거의 받지 않았으나, 매끄러운 표면을 갖는 ZnO 박막의 DLE 피크의 위치는 청색편이 하였다. ZnO 박막의 두께가 증가함에 따라 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광세기 비율이 증가하는 경향을 보였고, NBE 피크의 FWHM은 감소하는 경향을 보였다. 스핀코팅 방법으로 성장된 ZnO 박막의 표면이 매끄러울 때 구조적 특성 및 발광 효율이 향상되었다.
5는 두께에 따른 ZnO 박막의 규격화된 PL 스펙트럼을 나타낸 것이다. 모든 샘플에서 자외선영역에 위치한 약한 NBE (near-band edge emission) 피크와 가시광영역에 위치한 강한 DLE (deep level emission) 피크가 관찰되었다. 일반적으로 NBE 피크는 자유 엑시톤 재결합(free exciton recombination)에 의한 것이고 DLE 피크는 산소 공공(oxygen vacancy), 아연 공공(zinc vacancy), 침입형 산소(interstitial oxygen), 침입형 아연(interstitial zinc) 과 같은 결함에 의한 것이다 [20-22].
ZnO 박막의 두께가 증가함에 따라 DLE 피크에 대한 NBE 피크의 발광세기 비율이 증가하는 경향을 보였고, NBE 피크의 FWHM은 감소하는 경향을 보였다. 스핀코팅 방법으로 성장된 ZnO 박막의 표면이 매끄러울 때 구조적 특성 및 발광 효율이 향상되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스핀코팅 방법의 특징은?
이러한 문제점들을 해결하고 보다 간편하게 ZnO를 성장 할 수 있는 dip coating [13], spray pyrolysis [14], spin coating [15] 등의 성장 방법들이 연구되고 있다. 이 중 스핀코팅 방법은 스핀코터(spincoater)를 이용하여 대기 중에서 간편하게 넓은 면적의 기판에 ZnO 박막을 제작할 수 있으며, 스핀코팅 횟수에 의해 쉽게 두께 조절이 가능하다.
ZnO의 결정학적 구조는?
ZnO는 결정학적으로 육방정계 형태의 wurtzite 구조를 가지고 직접 천이형 반도체로써 상온(room temperature) 에서 3.37 eV의 큰 에너지 밴드갭을 갖는다 [1].
ZnO의 활용 분야는?
특히, 60 meV의 높은 엑시톤 결합 에너지는 GaN ( ~25 meV), ZnSe ( 1~19 meV) 등의 화합물 반도체보다 매우 크며, 가시광영역에서 높은 광 투과도와 낮은 비저항 값을 가지며 플라즈마에 대한 내구성이 뛰어난 것으로 알려져 있다 [2,3]. 이러한 특성 때문에 light emitting diode (LED) [4], ultraviolet (UV) laser [5], 태양전지 [6], 투명 전도막 [7] 등의 다양한 분야로 응용할 수 있는 차세대 반도체 물질로 각광 받고 있다.
참고문헌 (27)
D. C. Kim, J. H. Lee, H. K. Cho, J. H. Kim, and J. Y. Lee, Cryst. Growth Des. 10, 321 (2010).
R. Groenen, J. Loffler, P. M. Sommeling, J. L. Linden, E. A. G. Hamers, R. E. I. Schropp, and M. C. M. van de Sanden, Thin Solid Films 392, 226 (2001).
M. S. Kim, T. H. Kim, D. Y. Kim, G. S. Kim, H. Y. Choi, M. Y. Cho, S. M. Jeon, J. S. Kim, J. S. Kim, D. Y. Lee, J. S. Son, J. I. Lee, J. H. Kim, E. Kim, D. W. Hwang, and J. Y. Leem, J. Crystal Growth 311, 3568 (2009).
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