레이저 유도 수열합성과 후열처리 공정을 이용한 다공성 ZnO 나노와이어의 제조

Abstract

ZnO는 wurtzite 구조체로 3.37 eV의 넓은 band-gap을 갖는 물질이다. 상온에서 60 meV의 exciton binding energy와 우수한 광학적 특성으로 인해 다양한 분야에 걸쳐 연구되는 물질이다. 이를 나노와이어로 성장시키면 독특한 구조적 특성 때문에 새로운 전기적, 광학적 특성을 나타낸다. 나노와이어를 만드는 방법 중 수열합성법은 가장 많이 이용되는 방법으로 공정과정이 간단하고 저온 공정이 가능한 경제적인 장점이 있다. 본 논문에서는 레이저 유도 수열 성장과 후열처리 공정을 이용하여 nano-porous ZnO 나노와이어의 제조를 연구하였다. 처음 ZnO 나노와이어는 레이저 유도 수열공정에 의해 성장되었다. ZnO 나노입자의 seed는 sapphire와 Si3N4 기판 위로 ZnO 나노와이어의 성장을 시켜주기 위해 사용하였다. 이렇게 만들어진 ZnO 나노와이어는 50~200 ㎚의 다양한 지름을 갖는 전형적인 육각형 기저면을 나타내었고, 사파이어 기판에서는 단결정 성장에 의한 에피택셜 특성을 보여주었다. 후 열처리 공정은 vacuum, N2, Ar, O2 분위기에서 진행하였다. Nano-porous 나노와이어는 vacuum 분위기에서만 형성되었고, gas 분위기에서 열처리 된 샘플들에서는 중요한 형태학적 변화가 관찰되지 않았다. TEM 분석을 통해 ZnO의 (002)면으로 성장됨을 확인하였고, 열처리가 너무 오래 진행되면 pore의 지름 및 개수가 증가하면서 원자 배열이 뒤틀려 나노와이어가 무너질 것으로 예측할 수 있었다. Pore는 내부 에너지 변화에 따른 결함 부위의 이동 및 탈착, volatile gas들의 release로 인해 형성되어 pore가 존재하는 물질은 결함이 적고 비표면적이 큰 성질을 갖는다. 이러한 방법으로 성장된 nano-porous ZnO 나노와이어는 구조 및 광학 특성이 더욱 향상된 광소자, 센서, LED등에 응용이 될 것으로 기대된다.| Zinc oxide (ZnO) is a material of wurtzite structure with a wide direct band-gap of 3.37 eV. It has been studied in various fields due to exciton binding energy of 60 meV at room temperature and excellent optical properties. When grown as nanowires, they exhibit new electrical and optical properties due to their unique structural properties. Hydrothermal synthesis is one of the most widely used methods for manufacturing nanowires. It is economical because the process is simple and low-temperature process is possible. We report the fabrication of nano-porous ZnO nanowires (NWs) using a process combining laser-induced hydrothermal growth followed by a post annealing process. Initially, the ZnO nanowires are grown by laser-induced hydrothermal process. ZnO nanoparticles seeds are used to initiate the growth of ZnO NWs on substrates such as sapphire(0001) and Si3N4 wafers. As-prepared ZnO NWs show typical hexagonal basal planes with varying 50∼200 ㎚ in diameter and epitaxial characteristic with respect to the sapphire substrate. Post annealing process is carried out under nitrogen, argon, oxygen, and vacuum atmosphere. The nano-porous NWs are formed under vacuum ambient, while no significant morphological changes are observed in the samples annealed under the gas atmosphere. From the TEM analysis, it was confirmed that the (002) plane of ZnO was grown. As the heat treatment progressed to long, it could be predicted that the nanowire would collapse due to the distorted atomic arrangement with incrasing diameter and number of pores. The formation of pores might be attributed to desorption at the defect sites and the release of the trapped gas molecules during annealing process. The material in which pores exist is characterized by having few defects and large specific surface area. These nano-porous ZnO NWs grown in this way are expected to be applied to optical devices, sensors and LEDs with improved structure and optical properties.