[논문]ZnO 나노로드 특성에 미치는 시드 막 열처리 영향

마대영; 박기철

doi:10.5370/kiee.2018.67.6.753

ZnO 나노로드 특성에 미치는 시드 막 열처리 영향
Annealing Effects of Seed Layers on the Properties of ZnO Nanorods 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.6, 2018년, pp.753 - 758

마대영 (Dept. of Electrical Engineering & ERI, Gyeongsang National University) , 박기철 (Dept. of Semiconductor Engineering & ERI, Gyeongsang National University)

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated annealing effects of seed layers on the properties of ZnO nanorods grown on the seed layers. ZnO nanorods were grown by a hydrothermal method. ~100 nm-thick ZnO films were sputtered on oxidized Si wafers and quartz as seed layers. The ZnO films were annealed at $400^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, and $800^{\circ}C$, respectively. ZnO nanorods were grown at $90^{\circ}C$ for 3 hours in the mixed solution of zinc nitrate hexahydrate and hexamethylenetetramine. X-ray diffraction was carried out to estimate the crystallinity and strain of ZnO films and nanorods. A field emission scanning electron microscope was employed to observe the morphology of the films and nanorods. PL(photoluminescence) measurements were conducted with 266 nm light. It was found that the annealing of seed layers increase the growth rate of nanorods, and change compressive strain of nanorods to tensile strain. The intensity of PL in the UV region reduced by using the annealed seed layers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ZnO 나노로드는 자외선 감지소자[6] 및 LED[7]의 유망한 재료로 기대 받고 있다. 따라서 본 논문에서는 PL 측정을 통하여 ZnO 나노로드의 자외선 영역 발광 현상을 고찰하였다. 그림 10은 ZnO 나노로드의 PL 특성이다.
본 연구는 성장속도가 빠르고 결함이 적은 ZnO 나노로드의 제조 공정 개발을 목적으로 진행하였다. 수열합성법은 ZnO 박막을 시드(seed)로 사용하고 그 위에 나노로드를 성장시키는 방법이다.
앞 절에서는 열처리에 따른 ZnO 시드 막의 구조적 특성변화를 조사하였다. 본 절에서는 시드 막의 열처리가 그 위에 성장되는 나노로드의 특성에 미치는 영향을 고찰한다. 본 논문에서는 시드 막에 따른 나노로드를 ZnO(0℃), ZnO(400℃), ZnO(600℃), ZnO(800℃)로 표시한다.
열처리 온도가 증가함에 따라 변형 강도도 증가하였다. 열처리한 시드 막에 따른 나노로드의 XRD 피크 및 변형 변화에 대해서는 다음에 나타낼 SEM 사진과 함께 고찰하겠다.

제안 방법

400 ℃, 600 ℃, 800 ℃에서 30분 동안 열처리한 ZnO 박막 위에 나노로드를 성장시키고 열처리한 시드 막이 나노로드의 성장에 미치는 영향을 고찰하였다. 열처리하지 않은 ZnO 박막의 입자는 약 12 nm였으며 열처리 온도가 증가함에 따라 입자의 크기가 40 nm 이상으로 증가하였다.
XRD 결과로 시드 막과 나노로드의 입자 크기(grain size) 및 변형(strain)을 계산하였다. Field emission scanning electron microscope(FESEM)으로 나노구조의 형상을 관찰하였으며, FESEM에 부착된 energy dispersive spectrometry(EDS)를 사용하여 나노로드의 원소 성분비를 측정하였다. ZnO 나노로드의 에너지 밴드 갭, 결함 등을 조사하기 위하여 Nd-Yag 레이저(266 nm)를 광원으로 사용하여 photoluminescence (PL)을 측정하였다.
542 Å(CuK_α)였으며, 회절각(2θ)의 범위는 20°~60°였다. XRD 결과로 시드 막과 나노로드의 입자 크기(grain size) 및 변형(strain)을 계산하였다. Field emission scanning electron microscope(FESEM)으로 나노구조의 형상을 관찰하였으며, FESEM에 부착된 energy dispersive spectrometry(EDS)를 사용하여 나노로드의 원소 성분비를 측정하였다.
Field emission scanning electron microscope(FESEM)으로 나노구조의 형상을 관찰하였으며, FESEM에 부착된 energy dispersive spectrometry(EDS)를 사용하여 나노로드의 원소 성분비를 측정하였다. ZnO 나노로드의 에너지 밴드 갭, 결함 등을 조사하기 위하여 Nd-Yag 레이저(266 nm)를 광원으로 사용하여 photoluminescence (PL)을 측정하였다.
ZnO 나노로드의 원자 비를 EDS로 조사하였다. 그림 8에 ZnO(400℃) 위에 성장된 나노로드의 EDS 결과를 대표로 나타내었다.
시드인 ZnO 박막은 rf magnetron sputtering으로 증착하였으며, 그 두께는 약 100 nm였다. ZnO 스퍼터링은 작동압력 2.0 mtorr, 전력밀도 4.39 W/cm²의 조건에서 5분 동안 진행하였다. 직경 4 인치의 스퍼터링 타겟을 사용하였으며 스퍼터링 시 산소는 첨가하지 않았다.
자외선 및 가시광선 영역에서 PL 피크가 관측되었다. ZnO의 에너지 밴드 갭에 해당하는 자외선 영역의 피크를 가우시안 분포함수로 세분하여 보았다. 그림 11은 ZnO(0℃)의 자외선 영역 피크를 가우시안 함수로 분해한 것이다.
이것은 나노로드의 입자가 Scherrer 식을 적용할 수 없을 만큼 크다는 것을 뜻한다. 따라서 입자 크기 대신 ZnO(002) 피크의 강도로 ZnO 나노로드의 결정성을 비교하였다. 그림 5에 시드 막에 따른 ZnO 나노로드의 ZnO(002) 피크 강도 및 변형을 나타내었다.
본 절에서는 시드 막의 열처리가 그 위에 성장되는 나노로드의 특성에 미치는 영향을 고찰한다. 본 논문에서는 시드 막에 따른 나노로드를 ZnO(0℃), ZnO(400℃), ZnO(600℃), ZnO(800℃)로 표시한다. 여기서 ZnO(0℃)는 열처리하지 않은 시드 막이고 다른 숫자들은 시드 막의 열처리 온도를 나타낸다.
ZnO 나노로드의 EDS에서는 아연, 산소 및 미약한 탄소가 검출되었다. 샘플마다 측정 포인터를 옮기면서 반복 측정하였다. 그림 9에 시드 막에 따른 나노로드의 산소와 아연 원자 비(O/Zn) 변화를 나타내었다.
먼저 시드 막을 열처리하여 결정성을 높인 후 그 위에 ZnO 나노로드를 성장시켰다. 시드 막 열처리 온도에 따른 나노로드의 구조적 및 광학적 특성을 조사하였다.
시드 막과 나노로드의 결정구조를 관찰하기 위하여 x-ray diffraction (XRD)를 수행하였다. 이때 엑스선의 파장은 1.
앞 절에서는 열처리에 따른 ZnO 시드 막의 구조적 특성변화를 조사하였다. 본 절에서는 시드 막의 열처리가 그 위에 성장되는 나노로드의 특성에 미치는 영향을 고찰한다.
직경 4 인치의 스퍼터링 타겟을 사용하였으며 스퍼터링 시 산소는 첨가하지 않았다. 증착한 ZnO 박막을 대기 중에서 열처리하였다. 열처리 온도는 400 ℃, 600 ℃, 800 ℃였으며 열처리 시간은 30분이었다.
ZnO 박막의 열처리 온도를 증가시킴에 따라 ZnO(002) 피크의 강도가 크게 증가하였다. 측정된 ZnO(002) 피크의 수치들을 아래 식들에 대입하여 ZnO 박막의 변형 및 입자 크기를 계산하였다. ZnO 박막에는 산소 빈자리 또는 과잉 산소 등에 의해 변형이 존재하며, 박막의 변형 ε은 격자상수 c와 아래의 관계를 갖는다[11].

대상 데이터

산화시킨 실리콘웨이퍼 또는 결정질 유리(quartz) 위에 ZnO 박막을 입힌 후 나노로드 성장을 위한 기판으로 사용하였다. 시드인 ZnO 박막은 rf magnetron sputtering으로 증착하였으며, 그 두께는 약 100 nm였다.
산화시킨 실리콘웨이퍼 또는 결정질 유리(quartz) 위에 ZnO 박막을 입힌 후 나노로드 성장을 위한 기판으로 사용하였다. 시드인 ZnO 박막은 rf magnetron sputtering으로 증착하였으며, 그 두께는 약 100 nm였다. ZnO 스퍼터링은 작동압력 2.
39 W/cm²의 조건에서 5분 동안 진행하였다. 직경 4 인치의 스퍼터링 타겟을 사용하였으며 스퍼터링 시 산소는 첨가하지 않았다. 증착한 ZnO 박막을 대기 중에서 열처리하였다.

성능/효과

열처리 온도와 무관하게 2θ ≅ 34° 부근에서 wurtzite ZnO의 c축인 (002) 피크가 관측되었다. ZnO 박막의 열처리 온도를 증가시킴에 따라 ZnO(002) 피크의 강도가 크게 증가하였다. 측정된 ZnO(002) 피크의 수치들을 아래 식들에 대입하여 ZnO 박막의 변형 및 입자 크기를 계산하였다.
따라서 ZnO 나노로드에는 산소 빈자리가 주된 결함으로 존재한다고 볼 수 있다. ZnO 열처리한 시드 막 위에서 성장한 ZnO 나노로드의 PL 강도는 자외선 및 가시광선 영역에서 모두 급격하게 감소하였다. PL 감소의 원인을 찾기 위하여 PL 측정결과를 XRD, EDS 결과와 비교하였으나 그 상관성을 발견할 수 없었다.
그림 9에 시드 막에 따른 나노로드의 산소와 아연 원자 비(O/Zn) 변화를 나타내었다. 반복 측정 결과 ZnO(0℃)의 산소와 아연은 화학양론적 결합을 하는 것으로 나타났다. 그러나 열처리한 시드 막 위에 성장된 나노로드는 산소 과잉영역과 산소 결핍 영역이 번갈아 측정되었다.
열처리 전의 ZnO 박막은 인장 변형을 보였으나 열처리에 의해 압축 변형으로 바뀌었다. 시드 막의 열처리 온도를 높임에 따라 나노로드의 XRD 피크도 증가하였다. 이 결과로부터 나노로드의 결정 크기가 시드 막의 입자 크기에 비례한다는 것을 확인하였다.
그림 2에 시드 막의 열처리 온도에 따른 입자 크기 및 변형을 나타내었다. 열처리하지 않은 ZnO 박막의 입자는 약 12 nm였으며 열처리 온도가 증가함에 따라 입자의 크기가 40 nm 이상으로 증가하였다. 열처리 전에 약 1.
시드 막의 열처리 온도를 높임에 따라 나노로드의 XRD 피크도 증가하였다. 이 결과로부터 나노로드의 결정 크기가 시드 막의 입자 크기에 비례한다는 것을 확인하였다. 열처리하지 않은 시드 막 위에 성장된 나노로드는 압축 변형을 나타내었으나 시드 막이 열처리된 나노로드는 인장 변형을 보였다.
시드 막의 열처리 온도를 높임에 따라 그 위에 성장되는 나노로드의 XRD 피크도 증가하였다. 이 결과로부터 나노로드의 결정 크기가 시드 막의 입자 크기에 비례한다는 사실을 알 수 있었다. ZnO(002) 피크의 반폭치로부터 구한 나노로드의 입자 크기는 시드 막에 관계없이 약 140 nm였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수열합성법은 무엇인가?	본 연구는 성장속도가 빠르고 결함이 적은 ZnO 나노로드의 제조 공정 개발을 목적으로 진행하였다. 수열합성법은 ZnO 박막을 시드(seed)로 사용하고 그 위에 나노로드를 성장시키는 방법이다. 그러므로 시드 막의 특성은 성장된 ZnO 나노로드의 물성에 크게 영향을 미친다.
	ZnO 박막의 입자 크기에 열처리 유무와 열처리 온도가 어떠한 영향을 미치는가?	400 ℃, 600 ℃, 800 ℃에서 30분 동안 열처리한 ZnO 박막 위에 나노로드를 성장시키고 열처리한 시드 막이 나노로드의 성장에 미치는 영향을 고찰하였다. 열처리하지 않은 ZnO 박막의 입자는 약 12 nm였으며 열처리 온도가 증가함에 따라 입자의 크기가 40 nm 이상으로 증가하였다. 열처리 전의 ZnO 박막은 인장 변형을 보였으나 열처리에 의해 압축 변형으로 바뀌었다.
	세라믹 또는 박막 형태에서 나노구조물 형태에 대한 ZnO 연구로 변화한 이유는 무엇인가?	종래에는 주로 세라믹 또는 박막 형태의 ZnO가 연구되어 왔으나 최근에는 나노와이어, 나노로드 등 ZnO의 나노구조물에 대한 연구가 활발해지고 있다[4-7]. 이것은 저온에서도 ZnO 나노구조물을 간단하게 제조할 수 있는 공정이 개발되었기 때문이다.

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