[논문]공기 중에서 열증발법에 의하여 제작된 정팔면체 ZnO 결정

이근형

doi:10.4313/jkem.2013.26.4.294

공기 중에서 열증발법에 의하여 제작된 정팔면체 ZnO 결정
ZnO Octahedron Fabricated by Thermal Evaporation Technique in Air 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.4, 2013년, pp.294 - 297

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ZnO crystals with octahedral shape were synthesized by thermal evaporation technique. $ZnF_2$ powder was used as the source material. The thermal evaporation and oxidation of $ZnF_2$ powder was carried out for 1 hr at $1,000^{\circ}C$ in air under atmospheric pressure. SEM images showed that the ZnO crystals produced by oxidizing $ZnF_2$ vapor possessed a characteristic octahedral shape. XRD spectrum revealed that the ZnO octahedron had hexagonal wurtzite structure. In the room temperature photoluminescence spectrum, a strong green emission peak at around 510 nm was observed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 ZnF₂ 원료분말을 공기 중 대기압 분위기에서 기화, 산화시킴으로써 생성된 정팔면체 ZnO 결정의 결정구조와 광학적 특성에 대해 보고한다.

제안 방법

ZnF₂ 분말을 열증발법의 원료로 사용하여 대기압의 공기 중에서 정팔면체 ZnO 결정들을 간단히 합성하였다. XRD 스펙트럼으로부터 정팔면체 ZnO 결정은 wurtzite 결정구조를 가지고 있음을 알 수 있었고, EDX 스펙트럼으로부터는 Zn과 O로만 구성된 순도가 높은 ZnO 물질임을 알 수 있었다.
생성물의 결정학적 구조는 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석하였고, 생성물의 형상은 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 구성 성분은 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 분광분석기(EDX)로 평가하였고, 광발광 특성은 광발광 분광분석기 (PL)로 분석하였다.
이는 산화 생성물이 순수한 ZnO임을 나타낸다. 산화 생성물의 구성 성분을 살펴보기 위하여 EDX로 분석하였다.
산화 생성물의 형상은 SEM으로 관찰하였다. 그림3에 산화 생성물의 SEM 사진을 나타내었다.
전기로 온도를 10℃/min의 속도로 1,000℃까지 올렸고, 1시간 동안 유지한 후 전원을 끄고 상온까지 내렸다. 상온까지 냉각된 알루미나 도가니 내에서 백색의 생성물이 관찰되었고, 생성물의 성분, 미세구조 및 광발광 등의 광학적 특성을 분석하였다.
생성물의 결정학적 구조는 X-선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석하였고, 생성물의 형상은 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 구성 성분은 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 분광분석기(EDX)로 평가하였고, 광발광 특성은 광발광 분광분석기 (PL)로 분석하였다.

대상 데이터

ZnO 결정은 열증발법을 사용하여 합성하였다. Aldrich사의 순도 99%의 ZnF₂ 분말이 원료로 사용되었다. 0.
그림 5에 상온에서 측정한 정팔면체 ZnO 결정의 광 발광 특성을 나타내었다. 광 발광 측정에서는 여기광으로 325 nm의 파장을 갖는 He-Cd 레이저를 사용하였다. 510 nm 부근에서 중심파장을 갖는 강한 녹색 영역의 발광피크만 관찰되고 있다.

이론/모형

ZnO 결정은 열증발법을 사용하여 합성하였다. Aldrich사의 순도 99%의 ZnF₂ 분말이 원료로 사용되었다.

성능/효과

분말을 열증발법의 원료로 사용하여 대기압의 공기 중에서 정팔면체 ZnO 결정들을 간단히 합성하였다. XRD 스펙트럼으로부터 정팔면체 ZnO 결정은 wurtzite 결정구조를 가지고 있음을 알 수 있었고, EDX 스펙트럼으로부터는 Zn과 O로만 구성된 순도가 높은 ZnO 물질임을 알 수 있었다. 상온에서 측정한 광 발광 스펙트럼으로부터는 510 nm의 중심파장을 갖는 녹색영역의 발광피크가 관찰되었고 이는 결정내에 존재하는 높은 농도의 산소공공에 기인하는 것으로 생각된다.
두 성장모델을 비교해 보면, 정팔면체의 ZnO 핵이 생성되고 그로부터 4개의 다리가 성장하여 tetrapod 형상으로 된다는 점에서는 공통점이 있으나 정팔면체 핵의 결정구조가 각각 zinc-blende 구조와 wurtzite 구조라는 점에서는 차이가 있다. 그러나 본 실험에서 합성된 정팔면체 형상의 ZnO 결정의 XRD 분석 결과로부터 ZnO 정팔면체는 wurtzite 결정구조를 가지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 tetrapod 형상의 ZnO 결정의 성장에서도 wurtzite 결정구조의 ZnO 정팔면체 핵이 생성될 가능성이 높을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO이 자외발광 소자에의 응용이 기대되는 재료로 주목받는 이유는?	반도체 나노결정은 높은 비표면적으로 인하여 벌크와는 다른 독특한 광․전자 특성을 나타낸다. 반도체 재료 중에서도, ZnO는 3.37 eV의 넓은 밴드갭과 60meV의 큰 여기자 결합에너지 때문에 자외발광 소자에의 응용이 기대되는 재료로 주목을 받고 있다.
	ZnO 나노결정들이 합성 될 때 금속촉매를 이용한 VLS 성장양식을 이용한 방법의 단점은?	ZnO 나노결정의 합성에는 주로 금속촉매를 사용하여 VLS (vapor-liquid-solid) 성장양식을 이용한 방법이 이용되고 있으나, 금속촉매가 불순물로 작용할 수 있다는 단점이 있다. 그래서 최근에는 촉매를 사용하지 않고 직접 나노결정을 합성하는 VS (vapor-solid) 성장양식을 이용한 합성방법이 이용되고 있다.
	촉매를 사용하지 않고 직접 나노결정을 합성하는 방법은?	ZnO 나노결정의 합성에는 주로 금속촉매를 사용하여 VLS (vapor-liquid-solid) 성장양식을 이용한 방법이 이용되고 있으나, 금속촉매가 불순물로 작용할 수 있다는 단점이 있다. 그래서 최근에는 촉매를 사용하지 않고 직접 나노결정을 합성하는 VS (vapor-solid) 성장양식을 이용한 합성방법이 이용되고 있다. 금속촉매를 사용하지 않고 합성되는 ZnO 나노결정의 형상은 주로 반응온도와 반응분위기에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (11)

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