저온수열합성방법에 의해 성장한 ZnO 나노로드의 전구체 몰농도 변화에 따른 특성 연구 The Effect of Precursor Concentration on ZnO Nanorod Grown by Low-temperature Aqueous Solution Method원문보기
전구체의 농도가 ZnO 나노로드의 성장에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. ZnO 나노로드는 수열합성법에 의하여 c-plane 사파이어 상에서 성장되었으며, 전구체 농도가 0.01M에서 0.025M로 증가할 때의 형태적, 구조적, 광학적 성질의 변화에 대하여 주사전자현미경, X-선 회절분석기, 그리고 Photoluminescence(PL) 분석을 통하여 알아보았다. 전구체의 몰 분율이 증가함에 따라서 나노로드의 두께와 길이가 모두 증가하는 경향을 보였으며, 성장 방향은 모두 c-axis 방향임을 알 수 있었다. PL 측정에서의 380 nm파장의 강한 emission으로부터, 수열합성법에 의하여 성장된 ZnO 나노로드는 결함의 영향이 적고 양호하게 성장되어 있음을 확인할 수 있었다.
전구체의 농도가 ZnO 나노로드의 성장에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. ZnO 나노로드는 수열합성법에 의하여 c-plane 사파이어 상에서 성장되었으며, 전구체 농도가 0.01M에서 0.025M로 증가할 때의 형태적, 구조적, 광학적 성질의 변화에 대하여 주사전자현미경, X-선 회절분석기, 그리고 Photoluminescence(PL) 분석을 통하여 알아보았다. 전구체의 몰 분율이 증가함에 따라서 나노로드의 두께와 길이가 모두 증가하는 경향을 보였으며, 성장 방향은 모두 c-axis 방향임을 알 수 있었다. PL 측정에서의 380 nm파장의 강한 emission으로부터, 수열합성법에 의하여 성장된 ZnO 나노로드는 결함의 영향이 적고 양호하게 성장되어 있음을 확인할 수 있었다.
In this research, we investigated the effect of mole concentration of precursor on morphological, structural and optical properties of ZnO nanorods. ZnO nanorods were hydrothermally grown on c-plane sapphire substrates in aqueous solution which contains zinc nitrate hexahydrate and hexamethylenetetr...
In this research, we investigated the effect of mole concentration of precursor on morphological, structural and optical properties of ZnO nanorods. ZnO nanorods were hydrothermally grown on c-plane sapphire substrates in aqueous solution which contains zinc nitrate hexahydrate and hexamethylenetetramine at 90oC in the precursor range of 0.01 M to 0.025 M. With the increase of mole concentration, length and diameter of ZnO nanorods increased. In all the conditions, the growth direction of rods was longitudinally c-axis direction. From the strong emission peak at 380 nm of PL spectra at room temperature, we could confirm that the crystal quality of ZnO nanorods is good to emit radiative recombination spectra.
In this research, we investigated the effect of mole concentration of precursor on morphological, structural and optical properties of ZnO nanorods. ZnO nanorods were hydrothermally grown on c-plane sapphire substrates in aqueous solution which contains zinc nitrate hexahydrate and hexamethylenetetramine at 90oC in the precursor range of 0.01 M to 0.025 M. With the increase of mole concentration, length and diameter of ZnO nanorods increased. In all the conditions, the growth direction of rods was longitudinally c-axis direction. From the strong emission peak at 380 nm of PL spectra at room temperature, we could confirm that the crystal quality of ZnO nanorods is good to emit radiative recombination spectra.
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문제 정의
본 연구에서는 이 같은 저온수열합성법을 통한 ZnO 나노로드의 성장에 있어서, 전구체의 농도변화에 따른 나노로드의 형상 및 광학적 특성에 관하여 알아보았다. 성장된 나노로드의 길이, 직경 등은 주사전자현미경(FESEM)에 의하여, 구조적 특성은 High resolution X-선 회절분석기(HR-XRD)로, 광학적 특성은 광발광시스템(PL)을 통해 조사, 분석 되었다.
성장된 나노로드의 길이, 직경 등은 주사전자현미경(FESEM)에 의하여, 구조적 특성은 High resolution X-선 회절분석기(HR-XRD)로, 광학적 특성은 광발광시스템(PL)을 통해 조사, 분석 되었다. 이들 특성평가를 통하여 ZnO 형성 시 전구체의 몰 농도의 변화가 저온수열합성법에 의해 성장되는 ZnO 나노로드에 어떤 영향을 주는 지에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
XRD의 θ-2θ 스캔범위는 10-90o까지 진행하였다.
ZnO 나노로드를 수열합성법으로 성장하기 위해 24 ml의 탈이온수에 전구체인 Zinc nitrate hexahydrate [Zn(NO3)2·6H2O]와 Hexamethylenetetramine [C6H12N4,] 를 1:1의 몰 비로 각각 0.01 M, 0.015 M, 0.02 M, 0.025 M 첨가하였고, 실온에서 교반기를 이용하여 10분 동안 혼합하였다.
그리고 CuKα1(λ = 1.540598 Å) 소스를 갖는 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, Philips, X’pert Pro X-ray diffractometer, Netherlands) θ-2θ 스캔을 이용해 ZnO 나노로드의 구조적 특성을 분석하였다.
540598 Å) 소스를 갖는 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, Philips, X’pert Pro X-ray diffractometer, Netherlands) θ-2θ 스캔을 이용해 ZnO 나노로드의 구조적 특성을 분석하였다. 또한 248.6 nm의 Ne-Cu laser 를 사용하는 상온 광발광분석(PL, Photonsystems, Wide Bandgap Mini PL spectrometer, USA) 측정을 통해 광학적 특성도 분석하였다.
본 연구에서는 이 같은 저온수열합성법을 통한 ZnO 나노로드의 성장에 있어서, 전구체의 농도변화에 따른 나노로드의 형상 및 광학적 특성에 관하여 알아보았다. 성장된 나노로드의 길이, 직경 등은 주사전자현미경(FESEM)에 의하여, 구조적 특성은 High resolution X-선 회절분석기(HR-XRD)로, 광학적 특성은 광발광시스템(PL)을 통해 조사, 분석 되었다. 이들 특성평가를 통하여 ZnO 형성 시 전구체의 몰 농도의 변화가 저온수열합성법에 의해 성장되는 ZnO 나노로드에 어떤 영향을 주는 지에 대하여 고찰하였다.
성장한 ZnO 나노로드를 분석하기 위해서 표면 및 단면 형태는 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi, S-4700, Japan)에 의해 분석하였다. 그리고 CuKα1(λ = 1.
성장한 ZnO 나노로드의 광학적 특성을 알아보기 위해, 실온에서 광발광 분석을 300 nm~700 nm의 파장 영역에서 실시하였다. Fig.
저온수열합성법에 의하여, 전구체인 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine 몰 농도가 각각 0.01 M, 0.015 M, 0.02 M, 0.025 M로 변화 할 때, 사파이어에서 성장한 ZnO 나노로드의 물성 변화에 관하여 알아보았다. 먼저, 몰 농도가 증가함에 따라 성장하는 나노로드의 직경과 길이가 증가함을 확인하였다.
대상 데이터
8인치 크기의 AZO 타겟(Al2O3 2 wt %, ZnO 98 wt %)이 장착되었고 타깃 금속 표면 산화를 막기 위해 기준 압력을 1.7×10-4 Pa까지 유지하였다.
이론/모형
성장한 ZnO 나노로드의 결정성장 방향을 측정하기 위해서 X-선 회절분석법을 이용하여 회절패턴을 분석하였다. Fig.
성능/효과
22) 전구체몰 농도 변화에 따라 성장한 ZnO 나노로드의 θ-2θ scan 그래프의 변화를 확인해보면, 몰 농도가 증가함에 따라 ZnO (0002)의 회절 피크 세기가 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 농도증가에 의하여 c축 방향으로의 ZnO 나노로드 성장이 우세하여 밀도 및 크기가 증가함에 따라, 회절 강도 역시 강해진 것으로 생각된다.
먼저, 몰 농도가 증가함에 따라 성장하는 나노로드의 직경과 길이가 증가함을 확인하였다. 또한 X-선 회절분석법의 결과로부터, 몰 농도가 증가함에 따라 ZnO나노로드의 (0002) 회절피크세기 역시 증가하는 것을 확인하였으며, 이로부터 ZnO 나노로드는 c-축 방향을 따라 우선 성장하고 있음을 알 수 있었다. 상온에서의 광발광 측정은 NBE와 관련된 free bound exciton이 380 nm에서 강한 피크로 나타나며, 몰 농도가 증가함에 따라 NBE의 세기가 미소하게 증가하는 것으로부터 상대적으로 결함의 영향이 크게 미치지 않고 우수한 광학적 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
025 M로 변화 할 때, 사파이어에서 성장한 ZnO 나노로드의 물성 변화에 관하여 알아보았다. 먼저, 몰 농도가 증가함에 따라 성장하는 나노로드의 직경과 길이가 증가함을 확인하였다. 또한 X-선 회절분석법의 결과로부터, 몰 농도가 증가함에 따라 ZnO나노로드의 (0002) 회절피크세기 역시 증가하는 것을 확인하였으며, 이로부터 ZnO 나노로드는 c-축 방향을 따라 우선 성장하고 있음을 알 수 있었다.
몰 농도가 0.01 M에서 0.025 M로 증가함에 따라 나노로드의 평균직경은 약 80 nm에서 160 nm로 증가하였고, 나노로드의 길이 역시 약 1 µm에서 3.38 µm로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 X-선 회절분석법의 결과로부터, 몰 농도가 증가함에 따라 ZnO나노로드의 (0002) 회절피크세기 역시 증가하는 것을 확인하였으며, 이로부터 ZnO 나노로드는 c-축 방향을 따라 우선 성장하고 있음을 알 수 있었다. 상온에서의 광발광 측정은 NBE와 관련된 free bound exciton이 380 nm에서 강한 피크로 나타나며, 몰 농도가 증가함에 따라 NBE의 세기가 미소하게 증가하는 것으로부터 상대적으로 결함의 영향이 크게 미치지 않고 우수한 광학적 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
그 이외에 추가적인 회절피크는 존재하지 않았다. 측정된 ZnO(0002), (0004)의 XRD 회절패턴은 Joint Committee on Powder Diffraction Standards(JCPDS 36-1451)로부터 hexagonal 상을 갖는 ZnO wurtzite 구조의 회절 피크와 일치함으로 보아, 이는 성장한 ZnO 나노로드는 우선성장방향인(0001) 방향을 따라서 높게 배향된 hexagonal-wurzite 구조를 갖는다는 사실을 확인할 수 있다. 이렇게 되는 이유로는 (0001) basal polar plane이 가지는 표면에너지가 side facet인 non-polar plane의 표면에너지보다 훨씬 커서, (0001) 방향을 따라서 쉽게 성장되기 때문이다.
후속연구
025 M의 조건에서 성장된 ZnO 나노로드의 FE-SEM 이미지이다. 표면 및 단면 이미지에서 관찰할 수 있듯이, 모든 조건에서 ZnO 나노로드는 기판에 수직한 방향으로 일정하게 성장한 것으로 보이는데, 이 결과는 후에 XRD 결과에서 좀 더 자세히 알아보도록 하겠다. 몰 농도가 증가함에 따라 나노로드의 직경과 길이가 커지는 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ZnO의 사용 분야는 무엇인가?
37 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있으며 엑시톤 결합 에너지가 24 meV인 GaN에 비해 60 meV의 큰 값을 가지고 있다.1) 이외에도 열적화학적으로 안정하고, 전기·광학적 특성이 우수하기 때문에 현재 발광다이오드2), 레이저다이오드3), 태양전지4), 투명전극5), 가스센서6) 등의 광전소자 분야에서 사용되고 있다.
기상합성법의 종류는 무엇이 있는가?
ZnO는 나노로드7), 나노와이어8), 나노튜브9), 나노벨트10) 등 다양한 형태의 성장이 가능한데, 특히 1차원의 나노로드, 나노와이어는 다른 형태의 ZnO 보다 우수한 특성을 갖기 때문에 그에 대해 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 1차원 나노구조를 가지는 ZnO를 형성하기 위해 다양한 증착법이 사용되는데, 기상합성법은 주로 유기금속화학기상증착법(Molecular organic chemical vapor deposition)11), 원자층증착법(Atomic layer deposition)12), 분자빔에피택시(Molecular beam epitaxy)13), 펄스레이저증착법(Pulsed laser deposition)14, 15) 등이 있고, 액상합성법은 졸겔법(Sol-gel route)16), 전기증착법(Electro-deposition)17), 저온수열합성법(Low temperature aqueous solution method)18) 등이 이용되고 있다. 이러한 다양한 성장법 중에서 저온 수열합성법을 통해 성장한 ZnO는 기존의 방법에 비하여 간단하고 쉬운 공정이며 양질의 ZnO 성장이 가능하기 때문에 많은 활용이 되고 있다.
ZnO의 특징은 무엇인가?
ZnO(Zinc oxide)는 II-VI-족 화합물 반도체로서, 상온에서 3.37 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있으며 엑시톤 결합 에너지가 24 meV인 GaN에 비해 60 meV의 큰 값을 가지고 있다.1) 이외에도 열적화학적으로 안정하고, 전기·광학적 특성이 우수하기 때문에 현재 발광다이오드2), 레이저다이오드3), 태양전지4), 투명전극5), 가스센서6) 등의 광전소자 분야에서 사용되고 있다.
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