Investigation on growth and optical characteristic improvement of ZnO nanorods using the hydrothermal synthesis

Abstract

[한글]

ZnO 는 육방정계 울자이트(Wurzite) 구조를 갖는 II-VI 족 직접천이형 산화물 반도체로서 상온에서 3.37 eV 의 에너지 밴드갭을 가진다. 특히 1 차원 구조의 ZnO 나노선은 여러 가지 유용한 전기적, 광학적, 압전 특성으로 인해, ultraviolet light-emitting devices, field-effect transistors, solar cells, chemical sensors 등의 소자로의 응용 가능성이 주목받고 있다. ZnO 나노선을 다양한 소자로 활용하기 위해서는 ZnO 나노선의 성장

조절과 특성 향상이 선행되어야 한다. 이를 위하여, 본 연구에서는 ZnO 나노선의 광학적 성질 향상, 기판 상에의 선택적 성장, 성장률 조절에 관한 방안에 대하여 알아보았다. Fe-doped ZnO 나노선을 수열합성을 통해 합성하고, UV 와 가시광선 영역대의 발광 특성을 관찰하였다. 성장용액에 30 mM 의 (CH3CO2)2Fe 첨가를 통해 합성된 Fe-doped ZnO 나노선은 undoped ZnO 나노선 대비 40% 증가된 IUV/IDLE 특성을 나타내었다.

이는 Fe3+의 ZnO 격자 내로의 첨가가 가시광선 영역대의 발광 센터로 알려진 singly ionized oxygen vacancies 에서의 전자와 공공의 재결합을

방해하기 때문으로 여겨진다. 나노임프린트 기술을 이용하여 실리콘 기판상에 선택적으로 ZnO 나노선을 성장시켰다. 씨앗층 도포와 PMMA 패턴을 형성 단계를 거친 후, zinc sulfate 용액을 이용하여 0.5 μm 패턴 크기의 수직정렬성이 향상된 ZnO 나노선을 선택적으로 성장시켰다. 이를 통해 ZnO 나노선의 경우, 패터닝 시퀸스와 나노선 성장 조건의 조절을 통하여 패턴사이즈를 구현할 수 있음이 제안된다. 나노선의 성장률과 밀도를 조절하기 위하여, 다양한 저항의 실리콘 기판에 외부전압을 인가하여 ZnO 나노선을 성장시켰다. 기판 저항 감소에 따른 초기 전류밀도의 증가는 ZnO 결정핵 성장을 촉진하였다. 이를 통해 높은 밀도와 감소된 직경의 나노선이 합성되었다. 실리콘 기판 저항 증가에 따른 포화전류의 증가는 성장된 ZnO 씨앗층이 성장용액에 노출된 면적의 증가에 기인한다

[영문]ZnO nanorods, which have great potential in nanoelectronic applications due to its advantages in optical and electrical properties, were synthesized by hydrothermal method. The fabrication of nanodevices based on the ZnO nanorods depend on the possibilities of integratetion of ZnO nanorods on the desired location with controlled optical and electronic properties. Therefore, the method for optical improvement, selective growth, and controlling the nucleation was investigated to facilitate the fabrication of ZnO nanodevices. In order to improve the optical properties of ZnO nanorods, Fe-doped ZnO nanorods were prepared using an in-situ low temperature hydrothermal synthesis. Fe-doped ZnO nanorods synthesized in the solution containing 30 mM of (CH3CO2)2Fe exhibited a 40% increased IUV/IDLE ratio compared to undoped ZnO nanorods. It is suggested that the addition of Fe3+ into a ZnO nanostructure disturbs the recombination of electrons and holes by bonding with electrons in singly ionized oxygen vacancies. Also, Nano-imprint technology was used for the selective growth of ZnO nanorods on the Si wafer. When the PMMA was patterned using a nano-imprint process in the presence of seedlayer, and ZnO nanorods were synthesized in zinc sulfate solution, selective growth of vertically aligned ZnO nanorods on 0.5 μm pattern sizes was achieved. The observation in this study suggests that the selective growth of ZnO nanorods on a defined pattern size can be obtained with the modification of pattering sequence and the control of low temperature hydrothermal synthesis of ZnO nanorods. In order to control the growth rate and density, ZnO nanorods were electrochemically synthesized using various resistivities of Si substrates. Initial value of the current density increased with a decrease of the Si resistivity, accelerating nucleation and formation of a ZnO seed layer. The saturated current density was increased with a higher Si wafer resistivity, which may be due to an increased surface area of the ZnO seed layer exposed to the solution, elevating the surface concentration of electrons