[논문]수열합성법으로 성장된 산화 아연 나노로드의 성장 온도에 따른 구조적, 광학적 특성 연구

정용일; 류혁현

doi:10.5757/jkvs.2011.20.3.211

초록
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본 연구에서는 수열합성법으로 성장시킨 정렬된 산화아연 나노로드의 성장온도에 따른 구조적, 광학적 특성이 조사되었다. Zinc nitrate ($Zn(NO_3)_2$)와 hexamethylenetetramine가 전구체로 사용되었으며 40 nm 두께의 산화아연 버퍼막이 증착된 실리콘 (100) 기판이 사용되었다. 산화아연 나노로드는 $55^{\circ}C$에서 $115^{\circ}C$까지의 성장 온도에서 40 nm 산화아연 버퍼레이어 위에 성장되었다. 결과 분석을 위하여 FE-SEM, XRD, PL 방법 등이 사용되었다. 분석 결과, 잘 정렬된 산화아연 나노로드가 모든 샘플에서 관찰되었다. $95^{\circ}C$ 이하의 증착 온도에서 성장된 산화아연 나노로드의 끝부분은 평평하였으며, $115^{\circ}C$의 증착 온도에서 성장된 산화아연 나노로드의 끝부분은 날카로운 바늘모양의 형태를 나타내었다. 또한 $115^{\circ}C$의 증착 온도에서 비평형 성장때문에 엉킨 나노 구조물이 부분적으로 생성되었다. 성장 온도는 산화아연의 구조적, 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 구조적 특성의 경우 성장 온도가 $75^{\circ}C$까지 증가함에 따라 XRD (002) 피크 세기가 증가했고, 성장온도가 $115^{\circ}C$까지 계속적으로 증가함에 따라 피크의 크기는 다시 감소하였다. 광학적 특성에서는, 성장 온도가 증가함에 따라 가시광선 영역 피크 세기에 대한 UV 피크 세기 비율이 증가하였고, $95^{\circ}C$의 성장온도에서는 가장 큰 UV 피크의 세기를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of growth temperature on structural and optical properties of hydrothermally grown ZnO nanorod arrays have been investigated. Zinc nitrate ($Zn(NO_3)_2$) and hexamethylenetetramine were used as precursors. The ZnO buffered Si(100) with a thickness of 40 nm was u...

In this study, the effects of growth temperature on structural and optical properties of hydrothermally grown ZnO nanorod arrays have been investigated. Zinc nitrate ($Zn(NO_3)_2$) and hexamethylenetetramine were used as precursors. The ZnO buffered Si(100) with a thickness of 40 nm was used as the substrates. The ZnO nanorods were grown on these substrates with the temperature ranging from 55 to $115^{\circ}C$. The results were characterized by scanning electron microscope, X-ray diffraction and room temperature photoluminescence measurements. Well-aligned ZnO nanorods arrays were obtained from all samples. The tips of nanorods were flat when the temperature was less than $95^{\circ}C$, and the sharp-tip nanoneedle-like morphologies were obtained with the temperature of $115^{\circ}C$. In addition, some bundles were on the nanorods arrays with $115^{\circ}C$ due to the non-equilibrium growth. The growth temperature could affect the crystal and optical properties of ZnO. For the effects on crystal properties, the intensity of (002) peak was increased as the temperature was increased to $75^{\circ}C$, then decreased as the temperature was further increased to $115^{\circ}C$. As for the effects on optical properties, the intensity ratio of UV peak to visible peak is increased with the temperature increasing and the strongest UV peak intensity was obtained with the growth temperature of $95^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수열합성법으로 성장된 산화아연 나노로드의 성장 온도(55∼115℃)에 따라 변화하는 구조적, 광학적 특성에 대해 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 MOCVD로 증착된 산화아연 버퍼 레이어가 있는 실리콘 기판 위에 산화아연 나노로드를 수열 합성법을 이용하여 성장시켰다. 55℃에서 115℃까지 다양한 온도로 성장시키며 성장 온도가 산화아연 나노로드에 미치는 구조적, 광학적 특성을 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy), XRD (X-ray diffraction), 그리고 PL(photoluminescence)등의 분석 방법들을 이용해 조사하였다.
성장된 산화아연 나노로드의 길이, 단면상태 그리고 표면상태 등은 FE-SEM을 통해 분석되었고 결정구조 및 배양성 분석에는 XRD 방법이 사용되었다. 그리고 광학적 특성은 여기 소스로 325 nm의 He-Cd laser를 사용하는, 상온에서 측정된 PL 방법으로 살펴보았다.
실리콘(100) 기판 위에 40 nm 두께의 산화아연 완충 층이 MOCVD에 의해 증착되었다 [14]. 그리고 증착된 완충층 위에 같은 몰 비율의 zinc nitrate (Zn(NO3)2)와 hexamethylenetetramine (HMT) 두 전구체를 이용하여 산화 아연 나노로드를 수열합성법으로 10시간 동안 성장시켰다. 다양한 성장 온도 효과에 대해 조사하기 위해 0.
그리고 증착된 완충층 위에 같은 몰 비율의 zinc nitrate (Zn(NO3)2)와 hexamethylenetetramine (HMT) 두 전구체를 이용하여 산화 아연 나노로드를 수열합성법으로 10시간 동안 성장시켰다. 다양한 성장 온도 효과에 대해 조사하기 위해 0.1몰의 일정한 전구체 농도에서 성장 온도를 55, 75, 95 그리고 115℃까지 변화시켰다. 그 후, 샘플은 상온에서 천천히 식힌 다음 DI water로 세척 후 질소 가스로 건조시켰다.
본 연구에서는 MOCVD로 증착된 산화아연 버퍼 레이어가 있는 실리콘 기판 위에 산화아연 나노로드를 수열 합성법을 이용하여 성장시켰다. 55℃에서 115℃까지 다양한 온도로 성장시키며 성장 온도가 산화아연 나노로드에 미치는 구조적, 광학적 특성을 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy), XRD (X-ray diffraction), 그리고 PL(photoluminescence)등의 분석 방법들을 이용해 조사하였다.

대상 데이터

그리고 성장 온도는 산화아연의 결정성과 광학 특성도 영향을 미친다는 것을 발견할 수 있었다. 본 실험에서 사용된 모든 성장 온도에서 산화아연 나노로드가 c축을 따라 성장하며 특히 75℃ 일 때 강한 XRD (002) 피크 세기를 나타내었다. 그리고 광학 특성에 있어서는 95℃의 성장 온도에서 다른 온도에서의 피크에 비해 큰 세기와 좁은 폭을 가진 NBE PL 피크를 나타내었다.

이론/모형

성장된 산화아연 나노로드의 길이, 단면상태 그리고 표면상태 등은 FE-SEM을 통해 분석되었고 결정구조 및 배양성 분석에는 XRD 방법이 사용되었다. 그리고 광학적 특성은 여기 소스로 325 nm의 He-Cd laser를 사용하는, 상온에서 측정된 PL 방법으로 살펴보았다.

성능/효과

본 실험에서 사용된 모든 성장 온도에서 산화아연 나노로드가 c축을 따라 성장하며 특히 75℃ 일 때 강한 XRD (002) 피크 세기를 나타내었다. 그리고 광학 특성에 있어서는 95℃의 성장 온도에서 다른 온도에서의 피크에 비해 큰 세기와 좁은 폭을 가진 NBE PL 피크를 나타내었다. 그리고 I_uv/I_visible의 경우 성장 온도가 증가함에 따라 함께 증가하였다.
성장 온도가 95℃보다 낮은 경우에는 나노로드의 끝 부분은 평평한 반면, 115℃에서 성장된 나노로드의 경우 바늘 모양으로 뾰족한 표면을 나타내었다. 그리고 성장 온도는 산화아연의 결정성과 광학 특성도 영향을 미친다는 것을 발견할 수 있었다. 본 실험에서 사용된 모든 성장 온도에서 산화아연 나노로드가 c축을 따라 성장하며 특히 75℃ 일 때 강한 XRD (002) 피크 세기를 나타내었다.
모든 성장 온도에서 34.45°에 위치한 하나의 폭이 좁은 피크가 나타났는데 이는 수열합성법으로 성장된 산화아연 나노로드가 2.6 Å의 dspacing을 가지고 c축 방향으로 성장된 육방정계(hexagonal)의 wurtzite 결정구조를 가지는 것을 의미한다.
본 논문에서는 수열합성법으로 성장된 산화아연 나노로드의 성장 온도(55∼115℃)에 따라 변화하는 구조적, 광학적 특성에 대해 연구하였다. 온도의 변화에 관계없이 모든 온도에서 정렬된 산화아연 나노로드가 발견되었으며 나노로드의 직경과 길이는 성장 온도에 의해 조절된다는 것을 알 수 있었다. 성장 온도가 95℃보다 낮은 경우에는 나노로드의 끝 부분은 평평한 반면, 115℃에서 성장된 나노로드의 경우 바늘 모양으로 뾰족한 표면을 나타내었다.
1은 다양한 온도에서 수열합성법으로 성장된 산화아연 나노로드의 표면과 단면 형상들을 나타낸 사진들이다. 정렬된 산화아연 나노로드가 산화아연 완충 층과 기판에 수직으로 성장되었으며, 성장 온도에 상관없이 기판은 산화아연 나노로드로 균일하게 덮여 있음을 알 수 있었다. 그러나 115℃의 성장온도에서는 일정하게 성장되지 않은 나노로드로 구성된 일부 무리가 발견되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성장 온도는 산화아연의 어떤 특성에 영향을 미칠 수 있는가?	본 연구에서는 수열합성법으로 성장시킨 정렬된 산화아연 나노로드의 성장온도에 따른 구조적, 광학적 특성이 조사되었다. Zinc nitrate ($Zn(NO_3)_2$)와 hexamethylenetetramine가 전구체로 사용되었으며 40 nm 두께의 산화아연 버퍼막이 증착된 실리콘 (100) 기판이 사용되었다.
	산화아연은 어떤 물질인가?	산화아연은 wurzite 구조의 II-VI 화합물 반도체로써, 넓은 밴드 갭과 높은 이동도, ohmic contacts 형성의 용이함, 그리고 낮은 독성 등의 특성으로 인해 많은 과학자들의 주목을 받아왔다. 3.
	수열합성법으로 성장된 산화아연의 특성을 조절하기 위한 변수 중 성장 온도는 어떤 변수인가?	수열합성법으로 성장된 산화아연의 특성을 조절하기 위한 변수로는 전구체 농도, 성장 온도 그리고 성장 시간 등이 있다. 특히, 성장 온도는 화학 반응의 메커니즘을 조절하기 때문에 중요한 열역학적 변수이다. 이 때문에 많은 연구 그룹들이 수열합성법으로 산화아연을 성장시킬 시 성장 온도의 영향에 대해 연구를해 왔다.

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