본 연구에서는 낮은 비용과 간단한 공정의 장점을 가지고 있는 저온수열합성법을 이용하여 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에 non-polar a-plane ZnO박막을 성장하였다. 일반적으로 nanorod 형태의 ZnO를 성장시키는 특성을 보이는 Hexamethylenetetramine (HMT)와 2D layer 형태의 ZnO를 성장특성을 보이는 것으로 알려진 sodium citrate, 두 가지 전구체를 동시에 첨가하여 성장 하였을 때 몰 농도의 변화에 따른 ZnO 성장 특성을 비교해 보았다. ZnO 구조체의 형태와 특성 변화에 대하여 field emission scanning electron microscope (FE-SEM), high resolution X-ray diffraction(HRXRD)을 이용하여 분석을 진행하였다. 결과적으로, 두 가지의 용액의 특정 몰 농도일 때 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에서 non polar a-plane (11-20) ZnO 구조체가 성장 될 수 있음을 확인 하였다. 이는 첨가제 조건에 의하여 c축 성장을 억제시키고, 측면 성장을 촉진시키는 반응에 의한 것으로 생각된다.
본 연구에서는 낮은 비용과 간단한 공정의 장점을 가지고 있는 저온수열합성법을 이용하여 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에 non-polar a-plane ZnO 박막을 성장하였다. 일반적으로 nanorod 형태의 ZnO를 성장시키는 특성을 보이는 Hexamethylenetetramine (HMT)와 2D layer 형태의 ZnO를 성장특성을 보이는 것으로 알려진 sodium citrate, 두 가지 전구체를 동시에 첨가하여 성장 하였을 때 몰 농도의 변화에 따른 ZnO 성장 특성을 비교해 보았다. ZnO 구조체의 형태와 특성 변화에 대하여 field emission scanning electron microscope (FE-SEM), high resolution X-ray diffraction(HRXRD)을 이용하여 분석을 진행하였다. 결과적으로, 두 가지의 용액의 특정 몰 농도일 때 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에서 non polar a-plane (11-20) ZnO 구조체가 성장 될 수 있음을 확인 하였다. 이는 첨가제 조건에 의하여 c축 성장을 억제시키고, 측면 성장을 촉진시키는 반응에 의한 것으로 생각된다.
In this study, we grew non-polar ZnO nanostructure on (1-102) R-plane sapphire substrates. As for growth method of ZnO, we used hydrothermal synthesis which is known to have the advantages of low cost and easy process. For growth of non-polar, the deposited AZO seed buffer layer with of 80 nm on R-p...
In this study, we grew non-polar ZnO nanostructure on (1-102) R-plane sapphire substrates. As for growth method of ZnO, we used hydrothermal synthesis which is known to have the advantages of low cost and easy process. For growth of non-polar, the deposited AZO seed buffer layer with of 80 nm on R-plane sapphire by radio frequency magnetron sputter was annealed by RTA(rapid thermal annealing) in the argon atmosphere. After that, we grew ZnO nanostructure on AZO seed layer by the added hexamethylenetramine (HMT) solution and sodium citrate at $90^{\circ}C$. With two types of additives into solution, we investigated the structures and shapes of ZnO nanorods. Also, we investigate the possibility of formation of 2D non-polar ZnO layer by changing the ratio of two additives. As a result, we could get the non-polar A-plane ZnO layer with well optimized additives' concentrations.
In this study, we grew non-polar ZnO nanostructure on (1-102) R-plane sapphire substrates. As for growth method of ZnO, we used hydrothermal synthesis which is known to have the advantages of low cost and easy process. For growth of non-polar, the deposited AZO seed buffer layer with of 80 nm on R-plane sapphire by radio frequency magnetron sputter was annealed by RTA(rapid thermal annealing) in the argon atmosphere. After that, we grew ZnO nanostructure on AZO seed layer by the added hexamethylenetramine (HMT) solution and sodium citrate at $90^{\circ}C$. With two types of additives into solution, we investigated the structures and shapes of ZnO nanorods. Also, we investigate the possibility of formation of 2D non-polar ZnO layer by changing the ratio of two additives. As a result, we could get the non-polar A-plane ZnO layer with well optimized additives' concentrations.
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문제 정의
이런 이유로 일반적으로 c-plane ZnO 2D layer성장을 위해서 sodium citrate 전구체는 널리 사용되고 있다.23) 본 연구에서는 이러한 sodium citrate 전구체의 성질을 이용하여, sodium citrate의 몰 농도가 증감함에 따라 r-plane sapphire 기판 위에 성장되는 non-polar ZnO의 형상 변화에 대하여 알아보았다. 뿐만 아니라, sodium citrate 전구체 용액 내에, HMT 전구체를 첨가하면서, HMT의 몰 농도 변화에 따른 nonpolar ZnO 의 형상 변화에 대하여도 알아보았다.
따라서, 본 연구에서는 낮은 비용 등의 여러 장점을 가지고 있는 저온 수열합성법을 이용하여 QCSE의 영향을 받지 않는 non-polar ZnO 성장에 대하여 알아보았다. r-plane (1-102) sapphire를 기판으로 사용하여 성장 용액 내에 두 가지 다른 전구체의 농도를 변화시키면서 non-polar a-plane ZnO 구조체의 성장 및 특성에 관하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 저온수열합성법으로 sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 가지고 AZO 씨앗층이 증착된 r-plane sapphire 기판 위에 non-polar ZnO 구조체의 성장에 관한 연구를 진행하였다. FE-SEM 및 x-ray 분석을 결과 sodium citrate 만 넣어 성장하였을 때에는 c-plane (0002) 그리고 a-plane (11-20) 및 다양한 면들이 성장하였으나, sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 넣어 성장한 ZnO 구조체는 특정 몰 농도에서 ZnO 구조체의 c-plane (0002) 및 기타 다른 면의 성장이 억제 하였고 ZnO 구조체의 a-plane (11-20) 성장을 촉진시켰다.
제안 방법
AZO 씨앗층이 증착 된 r-plane sapphire 기판을 1×1 cm2의 크기로 나누어 아세톤, 이소프로필알콜, 탈이온수에 넣고 각각 10분간 초음파 세척한 후, 질소 가스로 건조시켰다.
Sodium citrate의 농도 변화에 따라 성장된 샘플의 결정방향을 확인하기 위하여 XRD θ-2θ 측정을 진행하였다(Fig. 3).
ZnO 구조체를 수열합성법으로 성장하기 위해 24 ml 의 탈이온수에 전구체인 ZnO를 성장시키는 기본 물질인 zinc nitrate hexahydrate (ZNH) [Zn(NO3)2·6H2O, Sigma-Aldrich, 98% purity]를 포함한 수용액을 제작한 후, 추가 전구체로서 Sodium citrate [C6H5Na3O7·2H2O] 그리고 Hexamethylenetetramine (HMT) [C6H12N4, Sigma-Aldrich, 99% purity]를 실험 조건에 맞추어 첨가하였다.
ZnO 와 sapphire 기판과의 격자의 불일치 때문에 저온 수열합성법으로 ZnO 구조체를 성장하기에 앞서, 기판과의 격자 불일치를 줄여주기 위해 AZO (Al-doped zinc oxide) 씨앗층을 2인치 크기의 r-plane sapphire 기판 위에 radio frequency magnetron sputter 장비를 이용하여 증착하였다. AZO 씨앗층의 스퍼터링 공정조건은 아르곤(Ar, Argon) 유량 및 압력이 각각 15sccm, 0.
따라서, 본 연구에서는 낮은 비용 등의 여러 장점을 가지고 있는 저온 수열합성법을 이용하여 QCSE의 영향을 받지 않는 non-polar ZnO 성장에 대하여 알아보았다. r-plane (1-102) sapphire를 기판으로 사용하여 성장 용액 내에 두 가지 다른 전구체의 농도를 변화시키면서 non-polar a-plane ZnO 구조체의 성장 및 특성에 관하여 연구를 진행하였다.
그리고 결정성 및 성장배향을 확인하기 위하여 CuKα1 (λ = 1.540598 Å) 소스를 갖는 고분해 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, Philips, X’pert Pro X-ray diffractometer, Netherlands)를 이용하여 θ-2θ 스캔을 이용해 ZnO 구조체의 구조적 특성을 분석하였다.
다음으로, 기존 sodium citrate만 첨가되어 있던 용액 내에 HMT를 추가하여 ZnO 성장거동을 알아보았다. 기본 ZnO 성장 기본 물질인 zinc nitrate hexahydrate (ZNH) [Zn(NO3)2·6H2O]로부터의 전구체인 Zinc nitrate hexahydrate와, 새로이 혼합된 Hexamethylenetetramine와의 사이에서 ZnO 성장 과정은 다음 반응에 의해 진행되게 된다.
540598 Å) 소스를 갖는 고분해 X-선 회절분석기(X-ray diffraction, Philips, X’pert Pro X-ray diffractometer, Netherlands)를 이용하여 θ-2θ 스캔을 이용해 ZnO 구조체의 구조적 특성을 분석하였다. 또한 광학적 특성을 확인하기 위하여 상온 photoluminescence(PL) spectrum측정을 실시하였다.
먼저 Sodium citrate의 농도를 0.04M, 0.07M 그리고 0.1M로 증가시키며 r-plane sapphire 상에 성장되는 ZnO에 대하여 알아보았다. Fig.
23) 본 연구에서는 이러한 sodium citrate 전구체의 성질을 이용하여, sodium citrate의 몰 농도가 증감함에 따라 r-plane sapphire 기판 위에 성장되는 non-polar ZnO의 형상 변화에 대하여 알아보았다. 뿐만 아니라, sodium citrate 전구체 용액 내에, HMT 전구체를 첨가하면서, HMT의 몰 농도 변화에 따른 nonpolar ZnO 의 형상 변화에 대하여도 알아보았다.
성장된 ZnO 구조체의 표면 및 단면을 분석하기 위하여 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi, S-4700, Japan) 분석을 실시하였다. 그리고 결정성 및 성장배향을 확인하기 위하여 CuKα1 (λ = 1.
앞선 실험에서 sodium citrate의 농도가 0.04M의 조건에서 a-plane의 성장이 c-plane의 성장보다 우세하게 나타났었기 때문에, 혼합용액 실험에서는 sodium citrate의 농도가 가장 낮은 0.04M인 용액에 HMT의 전구체를 각각 0.03M, 0.06M 그리고 0.09M 농도로 혼합 하였다. Fig.
대상 데이터
8인치 크기의 AZO 타겟 (Al2O32wt%, ZnO98wt%)이 장착되었고, 타깃 금속 표면 산화를 막기 위해 기준 압력을 1.7×10-4 Pa까지 유지하였다.
성능/효과
본 연구에서는 저온수열합성법으로 sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 가지고 AZO 씨앗층이 증착된 r-plane sapphire 기판 위에 non-polar ZnO 구조체의 성장에 관한 연구를 진행하였다. FE-SEM 및 x-ray 분석을 결과 sodium citrate 만 넣어 성장하였을 때에는 c-plane (0002) 그리고 a-plane (11-20) 및 다양한 면들이 성장하였으나, sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 넣어 성장한 ZnO 구조체는 특정 몰 농도에서 ZnO 구조체의 c-plane (0002) 및 기타 다른 면의 성장이 억제 하였고 ZnO 구조체의 a-plane (11-20) 성장을 촉진시켰다. 이러한 현상은 HMT 전구체의 열분해 의해 OH- 이온의 양이 증가하여 r-plane (1-102) sapphire 위에 ZnO-rod 구조의 성장이 활성화 되었고, 그 후 sodium citrate 전구체 의해 수직방향의 성장을 억제하고, 수평방향 성장을 촉진시켜 ZnO-rod 간의 병합을 유도하여 진행된 것으로 판단된다.
결과에서 주목할 바는 r-plane 기판을 사용하였기 때문에 일반적으로 성장한다고 알려져 있는 (1120) a-plane ZnO가 성장됨과 동시에, 세 시편 모두에서 34.379°에서 indexing 되는 (0002) c-plane ZnO 면의 회절 픽 역시 강한 intensity로 성장되어 있다는 점이다.
04M의 경우에서보다 ZnO column의 개수는 더 많아지고, 그 크기는 더 작아지면서 막의 밀도가 더욱 치밀해 짐을 확인할 수 있었다. 마지막으로 sodium citrate의 농도가 0.1M 농도에서는 대부분의 ZnO가 병합되어 layer 형태로 나타남을 확인 할 수 있었다.
5(C) 결과 역시 잘 성장 된 (11-20) ZnO layer의 XRD peak을 나타내고 있다. 여기에서, 우리는 혼합된 두 가지의 용액 sodium citrate와 HMT의 특정한 몰 농도에서 non-polar ZnO layer가 성장하는 것을 확인 할 수 있었다.
이러한 현상이 본 연구의 non-polar a-plane ZnO layer 성장에 있어서도, HMT 전구체의 열분해 의해 OH- 이온의 양이 증가하여 r-plane (1-102) sapphire 위에 ZnO-rod 구조의 성장이 활성화 되었고, 그 후 sodium citrate 전구체 의해 수직방향의 성장을 억제하고, 수평방향 성장을 촉진시켜 ZnO-rod 간의 병합을 유도하여 계단 형식의 non-polar ZnO 구조체를 형성된 것으로 보인다. 이로 인하여 최종적으로 ZnO non-polar (11-20) a-plane 성장이 가능해 진 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Zinc Oxide의 특징은 무엇인가?
Zinc Oxide (ZnO) 는 II–VI 족에서 가장 중요한 반도체 재료 중 하나로서, 상온에서의 3.37 eV direct band gap과 GaN (~24 meV) 보다 높은 excitation binding energy(60 meV)를 가지고 있어, 향후 GaN 을 대체할 수 있는 물질로 관심을 받고 있다. 이 같은 ZnO 특성을 이용하여 현재, transparent conductors1), including quantum cascade lasers2), ultraviolet light-emitting diodes3), UV detectors4), gas sensors5), 그리고, thin film solar cells6) 등의 다양한 디바이스에 적용 되고 있다.
ZnO 구조체는 어떻게 제작되는가?
이러한 ZnO 구조체는 chemical vapor deposition (화학기상증착법)9), metal-organic chemical vapor deposition (유기금속화학증착법)10), pulsed laser deposition (펄스레이저증착법)11), electrochemical deposition (전기화학적증착법)12), 그리고 hydrothermal synthesis method (수열합성법)13-15) 등의 다양한 기술로 제작 될 수 있다. 이러한 다양한 방법 중에, 수열합성법은 낮은 비용과, 간단한 공정, 낮은 공정 온도 그리고 대면적의 non-polar ZnO 을 구조체를 합성할 수 있는 장점을 가지고 있다.
수열합성법에 의해 제작된 ZnO 구조체는 어떤 특징을 가지는가?
그러나 이렇게 성장된 일반적인 ZnO는 Wurtzite 결정 구조를 갖게 되며, 기판에 수직인 c-axis를 따라서 우선배향 되는 형태로 성장하는데, 이 경우 자발분극과 압전분극의 영향으로 Quantum Confined Stark Effect (QCSE)가 나타나게 된다. 이로부터 유발된 정전기장은 양자우물구조의 에너지밴드 구조를 변화시켜 전자와 정공의 재결합으로 광자를 발생시키는 발광소자에 있어서 낮은 내부양자효율을 유발하게 된다.
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