[논문]수열합성법을 이용하여 우선 배향된 ZnO 나노와이어 성장 및 발광 특성

김종현; 임연수; 김성현; 조진우; 정대용

doi:10.3740/mrsk.2011.21.12.660

[국내논문] 수열합성법을 이용하여 우선 배향된 ZnO 나노와이어 성장 및 발광 특성
Growth and UV Emission of Preferred Oriented ZnO Nanowires Using Hydrothermal Process 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.21 no.12, 2011년, pp.660 - 665

김종현 (명지대학교 신소재공학과) , 임연수 (명지대학교 신소재공학과) , 김성현 (전자부품연구원 에너지나노소재연구센터) , 조진우 (전자부품연구원 에너지나노소재연구센터) , 정대용 (인하대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

1-D ZnO nanowires have been attractive for their peculiar properties and easy growth at relatively low temperature. The length, diameter, and density of ZnO nanowires were determined by the several synthetic parameters, such as PEI concentration, growth time, temperature, and zinc salt concentration. The ZnO nanowires were grown on the oriented seed layer using the hydrothermal process with zinc nitrate and HMTA (hexamethylenetetramine) and their structure and optical properties were characterized. The morphology, length and diameter of the nanowires were strongly affected by the relative and/or absolute concentration of $Zn^{2+}$ and $OH^{-1}$ and the hydrothermal temperature. When the concentrations of the zinc nitrate HMTA were the same as 0.015 M, the length and diameter of the nanowires were $1.97{\mu}m$ and $0.07{\mu}m$, respectively, and the aspect ratio was 28.1 with the preferred orientation along the direction. XRD and TEM results showed a high crystallinity of the ZnO nanowires. Optical measurement revealed that ZnO nanowires emitted intensive stimulated UV at 376 nm without showing visible emission related to oxygen defects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 8 inch 크기의 대면적 수열합성장비를 이용하여 배향성이 우수한 ZnO 나노와이어를 성장하고 UV 여기발광특성을 평가하였다. 이때, 수열합성반응에서 비교적 쉽게 조절할 수 있는 전구체의 농도, 성장온도를 반응변수로 이용하였으며, 반응변수에 따라 성장한 ZnO 나노와이어의 형상 및 결정구조는 SEM, XRD, TEM을 이용하여 평가하였다.
본 연구에서는 수열합성법에서 성장온도와 반응물의 농도에 따른 ZnO 나노와이어의 구조 및 광학적 특성을 관찰하였다. 성장온도가 60℃일 때는 Plate 모양으로 나노와이어가 성장하지 못하였으나, 성장온도가 70℃부터 90℃까지는 나노와이어로 성장하였다.

가설 설정

1,2) UV영역에서의 발광은 ZnO의 밴드갭에 의한 것으로 모든 ZnO 나노와이어에서 관찰된다. 그러나 가시광선에서의 발광은 ZnO의 물리적인 형상과 산소 결함구조에 매우 민감한 것으로 알려져 있다.

제안 방법

ZnO 나노와이어의 형상, 종횡 비, 밀도는 주사전자현미경(FE-SEM/S-4300SE, Hitachi)을 이용하여 관찰하였으며, 성장된 ZnO의 결정성은 박막X선 회절 분석기(XRD, X'Pert MPD, Phillips)를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 8 inch 크기의 대면적 수열합성장비를 이용하여 배향성이 우수한 ZnO 나노와이어를 성장하고 UV 여기발광특성을 평가하였다. 이때, 수열합성반응에서 비교적 쉽게 조절할 수 있는 전구체의 농도, 성장온도를 반응변수로 이용하였으며, 반응변수에 따라 성장한 ZnO 나노와이어의 형상 및 결정구조는 SEM, XRD, TEM을 이용하여 평가하였다.
여기서 다시 수열(Hydrothermal)에 의한 열에너지를 받으면 ZnO가 형성되고, 형성된 ZnO는 온도, 시간, 순환속도에 따라 포화(Saturation)되고, 핵 생성된 ZnO는 기판에 수직방향으로 나노와이어 형태로 성장한다. c-축 방향으로 더 높은 배향성을 갖도록 Capping Agent인 Polyethyleneimine (PEI, Aldrich, Average Mw ~800) 0.003 M을 첨가하였으며, ZnO 나노와이어 성장 시 배열이 잘 되도록Ammonium Chloride (NH4Cl, Aldrich) 0.09 M를 첨가하였다.^15,16)
수열합성온도가 ZnO 나노와이어의 배향성에 미치는 영향을 분석하기 위해 전구체가 담긴 bath 온도를 60, 70, 80, 90℃에서 일정하게 유지하면서 1시간 동안 합성하였다. 이때 ZN 0.
ZN와 HMTA의 농도 변화가 ZnO 나노와이어 성장에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 ZN와 HMTA의 농도를 0.075 부터 0.30 M 까지 다양하게 변화시켰다. 이때, bath 온도는 90℃에서 일정하게 1시간 동안 유지하였다.
ZnO 나노와이어의 형상, 종횡 비, 밀도는 주사전자현미경(FE-SEM/S-4300SE, Hitachi)을 이용하여 관찰하였으며, 성장된 ZnO의 결정성은 박막X선 회절 분석기(XRD, X'Pert MPD, Phillips)를 이용하여 분석하였다. 성장된 ZnO 나노와이어의 UV 여기발광특성은 PL mapper (RPM2000, ACCENT)를 이용하여 325 nm 파장에서 분석하였으며, ZnO 나노와이어의 결정성을 확인하기 위해 투과전자현미경(Analytic STEM/JEM-2100F, Cs corrector, JEOL/CEOS)으로 SAED 패턴을 관찰하였다.

대상 데이터

ZnO 나노와이어 성장을 위하여 Zinc nitrate Hexahydrate(ZN: Zn(NO3)2·6H2O, Aldrich, 98%) 와Hexamethylenetetramine (HMTA: C6H12N4, Aldrich, 98%)을 사용하였으며, ZnO 나노구조가 성장되는 화학적 반응식은 다음과 같다.
수열합성반응에서 배향성이 우수한 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위해서는 ZnO 나노와이어의 핵 생성이 중요하며, 본 연구에서는 주 성분이 ZnO 이면서 전기 전도도를 가지는 AZO (Al₂O₃ 2%, Zn 98%)를 40 nm 두께로 Corning glass (Eagle 2000) 기판 위에 sputtering하고 Seed 층으로 이용하였다. 이때, AZO seed층은 낮은 표면 에너지를 갖는 <001> 방향, 즉 c-축 방향으로 우선적으로 성장시켜 ZnO 나노와이어가 1차원 형태의 높은 배향성을 가질 수 있도록 하였다.

성능/효과

또한, 성장한 ZnO 나노와이어의 (002)면이 34.38°에서 0.323의 반치폭(full width at half maximum) 값을 나타내어 성장한 ZnO의 결정성이 높은 것으로 판단되었다.
XRD, TEM결과로부터 성장된 나노와이어는 방향으로 우선 배향되었으며, 결정성이 우수한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO 나노와이어를 합성하는 대표적인 방법은?	현재 ZnO 나노와이어를 합성하는 대표적인 방법에는 크게 VLS (Vapor-Liquid-Solid) 방법과 CBD (Chemical-Bath-Deposition)가 있다.1-13) VLS 방법을 통한 제작공정은 ZnO 나노와이어의 배향성을 비교적 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있지만, 높은 진공조건, 높은 온도와 같은 성장조건이 필요하고, 대량생산의 어려움, 비싼 장비가격, 제작 시 많은 소요시간 등의 단점이 있다.
	ZnO 나노와이어를 합성하는 방법 중 수열합성법의 단점은?	반면 CBD 방법을 통한 제작공정은 간단한 공정, 저온에서의 합성, 대면적화 등 여러 장점이 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.5-13) CBD 방법중에서 가장 대표적인 수열합성법은 ZnO 나노와이어를 비교적 낮은 온도와 상압에서 성장시킬 수 있어 많은 연구가 되었으나, 액상에서 나노와이어를 성장시키므로 특정 방향으로 배향하기 어려우며 또한 나노와이어의 성장 밀도 및 종횡비를 조절하기 어려운 것으로 알려져 있다.11-13)
	VLS 방법의 장단점은?	현재 ZnO 나노와이어를 합성하는 대표적인 방법에는 크게 VLS (Vapor-Liquid-Solid) 방법과 CBD (Chemical-Bath-Deposition)가 있다.1-13) VLS 방법을 통한 제작공정은 ZnO 나노와이어의 배향성을 비교적 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있지만, 높은 진공조건, 높은 온도와 같은 성장조건이 필요하고, 대량생산의 어려움, 비싼 장비가격, 제작 시 많은 소요시간 등의 단점이 있다. 반면 CBD 방법을 통한 제작공정은 간단한 공정, 저온에서의 합성, 대면적화 등 여러 장점이 있어 많은 연구가 이루어지고 있다.

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