깃털 모양의 계층적 산화아연(ZnO)은 시드층이나 금속 촉매 없이 연속적인 이온층 흡착과 반응을 통해 합성되었습니다. ZnO 깃털과 같은 구조의 형성 과정을 설명하기 위해 가능한 성장 메커니즘이 제안되었습니다. 한편, 깃털 모양의 ZnO의 광전자 성능은 UV-vis-NIR 분광법, I-V 및 I-측정으로 조사되었습니다. 결과는 깃털 모양의 ZnO 계층 구조가 우수한 반사 방지 및 우수한 광 감도를 가지고 있음을 나타냅니다. 모든 결과는 새로운 깃털 모양의 ZnO의 직접 성장 처리가 광검출기 장치 분야에서 유망한 응용을 가질 것으로 예상된다는 것을 시사합니다.
<섹션 데이터-제목="배경">산화아연(ZnO)은 넓은 밴드갭(~3.37 eV)과 최대 60meV의 큰 엑시톤 결합 에너지로 인해 매우 다양한 재료로 UV[1, 2] 및 청색 발광 다이오드[3]를 제작할 수 있습니다. ]. 최근 몇 년 동안 마이크로미터 및 나노미터 규모의 빌딩 블록이 있는 3차원(3D) ZnO 아키텍처를 기반으로 하는 광검출기[4, 5]에 대한 연구에 집중적인 노력이 기울여졌습니다. 단일 형태의 ZnO 구조와 비교하여 3D 계층적 ZnO 구조는 빛의 흡착을 촉진할 수 있는 넓은 표면적을 가지고 있습니다. 일반적으로 꽃과 같은 구조[6], 질감[7], 나노튜브[8], 수지상 모양[9] 및 깃털 모양의 구조[10]와 같은 3차원 계층적 ZnO 구조는 뛰어난 광학[11], 전자[ 12], 촉매 특성[9], 따라서 태양 전지, 가스 센서, 광촉매 및 기타 분야에서 많은 잠재적인 응용이 있습니다. 계층적 ZnO 구조를 합성하기 위해 다양한 물리적, 화학적[13], 전기화학적[14] 방법이 사용되었다. 그 중 열수/용매열법[15]은 편리하고 넓은 면적 준비로 인해 매우 인기가 있습니다. 그러나 이러한 방법에는 종종 시드층과 금속 촉매가 필요합니다. ZnO 시드층 성장은 이미 ZnO 나노구조 성장을 잘 제어할 수 있으며 일반적으로 고온 또는 복잡한 진공 장비로 열처리해야 합니다[16]. 또한 시드층과 금속 촉매를 사용하면 합성 절차가 더 복잡해지고 ZnO 구조의 특성에 영향을 미치는 불순물이 도입될 수 있습니다.
따라서 계층적 ZnO 구조를 생성하기 위해 시드층이나 금속 촉매가 필요하지 않은 손쉬운 실온 방법을 개발하는 것은 여전히 큰 도전으로 남아 있습니다.
본 연구에서는 SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 기반으로 하여 시드층이나 금속 촉매 없이 사용되는 ZnO 계층 구조를 제조하려는 새로운 시도를 하였다. 새롭고 특이한 깃털과 같은 ZnO 계층 구조는 실온에서 SILAR을 기반으로 처음으로 얻어졌습니다. ZnO 깃털과 같은 구조의 성장 과정을 설명하기 위해 가능한 메커니즘이 제안되었습니다. 또한, 깃털 모양의 ZnO/p-Si 이종 접합의 광전 특성을 조사한 결과 깃털 모양의 ZnO 나노 구조가 우수한 반사 방지 특성과 좋은 감광성을 가짐을 보여 이러한 계층 구조가 잠재적인 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다. 광전자 기기에서의 응용
첫 번째 Si(100) 기판을 에탄올에서 10분 동안 초음파 세척했습니다. 둘째, 0.01mol의 아연 아세테이트(Zn(CH3 COO)2 )을 100mL의 탈이온수에 녹인 다음, pH가 약 11이 될 때까지 암모니아 수산화물을 용액에 첨가하여 교반하면서 균일한 투명한 용액을 형성하는데, 이것이 깃털 모양의 ZnO의 전구체 용액이다. 그 후, 실리콘 웨이퍼를 전임 용액에 30초 동안 담그고 이온 착물을 Si 기판에 흡수시킨 후, Si 기판을 꺼내 탈이온수에 20초 동안 넣고 초순수로 20회 세척하여 미고결 수산화아연(Zn(OH)2)과 같은 불순물 제거 ). 마지막으로 샘플을 90°C의 탈이온수에 1분 동안 넣었습니다. 이 단계에서 흡수된 미반응 이온 복합체와 수산화아연은 순수한 ZnO로 분해될 수 있습니다. 일반적인 SILAR 실험에서 위의 단계를 20번 순환했습니다. 깃털 모양의 ZnO의 결정 구조는 X선 회절(XRD) 및 에너지 분산 분광계(EDS)로 특성화되었습니다. 표면 형태는 주사전자현미경(SEM)과 수송전자현미경(TEM)으로 조사하였다. 또한 I -V 그리고 나 -그 깃털 모양의 ZnO/p-Si의 특성. 포토다이오드 특성을 측정하기 위해 12nm 반투명 Cu막의 전극을 5mm x 5mm 면적으로 마스킹된 열증착법에 의해 ZnO/p-Si 상에 증착하였다. 다이오드의 개략도는 그림 4c에 나와 있습니다.
그림 1a는 ZnO가 깃털과 같은 형태를 가짐을 보여주며 이는 새롭고 특이한 현상입니다. 깃털 모양 구조의 세로 길이는 300~800nm이며 가로 길이는 200~400nm입니다. 도 1b의 확대된 SEM 이미지는 계층 구조가 획득되었음을 보여줍니다. 한편, 깃털과 같은 3차원 구조의 가지는 흥미롭게도 나노시트 줄기에 수직으로 조립된다. 그림 1c는 개별 계층 구조의 TEM 이미지를 보여줍니다. 어두운 점과 반투명 판은 가지와 나노 시트 줄기에 해당합니다. 깃털 모양의 ZnO의 크기는 200nm를 초과하기 때문에 격자 무늬가 드러날 수 없습니다. 그림 2는 ZnO 깃털을 형성하는 나노막대 부분의 일반적인 TEM 이미지를 보여주며, 이는 나노막대가 단결정임을 증명합니다.
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아 , b 실리콘에서 성장한 깃털 모양의 ZnO의 SEM 이미지. ㄷ 깃털 모양의 개별 ZnO의 TEM 이미지. d 깃털 모양의 ZnO/p-Si의 단면 SEM 이미지. 이 ZnO/p-Si의 EDS 분석은 주된 조성이 Zn임을 나타냅니다. 에 깃털 모양의 ZnO/p-Si의 XRD 패턴
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계층적 ZnO 구조 세그먼트의 TEM 이미지
그림 1e는 샘플에서 Zn, O, C 및 Si만 발견된 EDS의 피크를 보여줍니다. 이는 SILAR의 프로세스가 실리콘에 순수한 ZnO를 성공적으로 증착했음을 나타냅니다. XRD(그림 1e)는 ZnO 계층 구조의 결정 구조와 위상 순도를 보여줍니다. 제품의 모든 회절 피크는 wurtzite ZnO(JCPDS 파일 36-1451)의 회절 피크와 매우 잘 일치하며, p-Si(400)에 해당하는 지배적인 회절 피크도 있습니다. 스펙트럼에서 다른 불순물의 회절 피크가 발견되지 않습니다. 결과는 구조가 순수한 육각형 wurtzite ZnO임을 나타냅니다. 더욱이, 피크(002)의 강도는 피크(100) 및 (101)보다 다소 높습니다. 이것은 결정이 (002) 축 선호 배향을 따른다는 것을 보여줍니다. 날카로운 회절 피크는 ZnO가 순수한 품질의 높은 결정 구조를 가지고 있음을 나타냅니다.
여기에서 Si(100) 기판을 대체하는 모든 결정 방향을 갖는 Si 나노와이어를 사용할 때 동일한 환경에서 반응이 수행되더라도 ZnO 계층 구조가 발견되지 않음을 언급해야 합니다(그림 3 참조). 결과는 결정 방향이 ZnO 계층 구조의 핵 생성 및 성장에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다.
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실리콘 나노와이어에서 성장한 ZnO의 SEM 이미지:a 형태 및 b 단면
위의 결과를 바탕으로 깃털 모양의 ZnO 계층 구조가 2단계 핵생성-성장 과정을 통해 합성되었음을 추측할 수 있다. 그림 4는 ZnO 계층 구조의 형성 과정을 설명하는 개략도를 보여줍니다. 첫째, 암모니아 수산화물을 사용하여 히브록실 음이온(OH - ) 반응 용액의 pH와 반응 용액의 알칼리도를 증가시키면 Zn(OH)4 2− 이온이 얻어진다. Zn(OH)4 탈수 시 2− 이온, Zn(OH)4 2− 이온은 Si 기판에 흡착되고 후속적으로 용해되어 균질한 ZnO 핵을 형성한 다음 90°C에서 수조를 형성합니다[17]. 이 과정에서 초기 단계에서 평평한 표면을 가진 ZnO 나노시트의 몸통 형성은 과잉 OH - 때문일 수 있습니다. 이온 및 풍부한 Zn(OH)4 2− 표면 전하와 Zn(001) 표면의 구조를 어느 정도 안정화시켜 [100] 방향을 따라 빠른 성장을 가능하게 하는 이온(그림 4a 참조)[18]. 둘째, 초기 성장 단계에서 형성된 1차 ZnO 나노시트 몸통의 표면은 다른 영역보다 더 많은 결함을 포함하는 많은 결정 경계를 갖는다. 줄기 표면의 이러한 결함은 2차 불균질 핵 생성 및 가지 성장을 위한 활성 부위를 제공합니다(그림 4b 참조). 마지막으로 1차 나노시트와 2차 나노가지의 지속적인 성장은 깃털 모양의 ZnO 계층 구조를 구성합니다(그림 4c 참조).
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ZnO 계층 구조 형성 과정의 개략도:a ZnO 나노시트의 몸통 형성; ㄴ 2차 불균일 핵형성 및 가지의 성장; ㄷ 1차 나노시트 및 2차 나노가지의 지속적인 성장은 깃털과 같은 ZnO 계층 구조를 구성합니다.
깃털 모양의 ZnO의 광학적 특성을 조사하기 위해 He-Cd 레이저(λ =325 nm) 그림 5a와 같이 여기 소스로. 두 개의 방출 피크가 분명히 관찰됩니다. 384nm의 첫 번째 방출 대역은 분명히 여기로 인해 발생하며, 이는 UV 근거리 대역 가장자리 방출에 기인할 수 있습니다[18]. 한편, 녹색 영역에서 443nm의 넓은 방출 대역에 의해 가시광 방출이 약해짐을 시각화하여 집합적 광학 특성을 나타냅니다. 산소 결손을 차지하는 광 생성 비평형 캐리어의 방사선 재결합은 필름에 산소 결손이 존재하는 녹색 피크를 생성할 수 있습니다[19].
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아 깃털 같은 ZnO의 PL 스펙트럼. ㄴ ZnO/Si 및 Si 평면의 반사 스펙트럼. ㄷ 깃털 모양의 ZnO/Si 포토다이오드의 개략도. d 나 -V 깃털 같은 ZnO/Si의 곡선; d 삽입 lnI-V 곡선
그림 5b는 UV-vis-NIR 분광법으로 측정한 깃털 모양의 ZnO/Si 및 평면 Si의 반사를 보여줍니다. 깃털 모양의 ZnO/Si의 반사는 p-Si 평면(40~10%)에 비해 분명히 감소했으며 밴드 대 밴드 흡수로 인해 300~400nm 범위에서 상대적으로 낮은 반사를 나타냅니다. 평균 반사율이 10% 미만인 우수한 반사 방지 특성은 ZnO 재료의 광학 밴드갭인 400nm 미만의 파장에서 ZnO/Si에 대해 관찰됩니다[20]. 이 결과는 깃털 모양의 ZnO 구조가 우수한 반사 방지 역할을 함을 나타냅니다. 따라서 태양 전지의 반사 방지제로 응용 가능성이 있습니다.
그림 5d는 I -V 깃털 모양의 ZnO/p-Si 이종 접합의 곡선은 실온에서 암실과 AM 1.5 햇빛 아래에서 각각 측정됩니다. ZnO와 Si 사이의 다이오드 형성을 나타내는 접합에 대한 정류 거동을 보여줍니다. 정류비는 어두운 조건에서 -1V에서 535(-2V에서 1695)만큼 높습니다. 이는 ZnO/Si의 정류 거동이 매우 우수함을 나타냅니다. 이론적으로 나 -V 이종 접합에 대한 관계는 다음과 같이 설명될 수 있습니다.
$$ I={I}_0\left\{\exp \left[\frac{q\left(v-{IR}_{\mathrm{s}}\right)}{nKT}\right]-1\ 오른쪽\} $$ (1)여기서 K 는 볼츠만 상수, T 켈빈의 절대 온도, q 는 단일 전자의 단위 전하이고, n 이상 요인이다. R s 는 다이오드의 직렬 저항이며 I 0 는 역 바이어스 포화 전류를 나타냅니다. 나의 행동 -V 곡선은 Anderson 모델에 기반한 밴드 다이어그램으로 부분적으로 설명될 수 있습니다[21]. 또한, 광전류 대 암전류의 비율은 -2V 바이어스에서 역 바이어스에서 ~90.24이며, 이는 이 구조가 명백한 광 응답 동작을 가지고 있음을 시사합니다.
현재 깃털과 같은 계층 구조가 특성을 수정하는 데 유익한 효과를 제공한다는 것을 추가로 확인하기 위해 I -V 나노 도트형 ZnO/Si의 특성(그림 6a). 결과는 깃털과 같은 계층적 ZnO/Si가 나노 도트와 같은 ZnO/Si보다 더 나은 정류 효과를 가짐을 나타냅니다. 따라서 깃털과 같은 계층적 ZnO는 전하 재결합 활성을 효과적으로 억제하고 정류 효과를 향상시킬 수 있습니다.
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아 나 -V 깃털 모양의 ZnO/Si 및 나노 도트 ZnO/p-Si의 곡선; 삽입물은 반사 스펙트럼입니다. ㄴ ZnO/p-Si 이종접합의 에너지 밴드 다이어그램. ㄷ 나 -그 깃털 모양의 ZnO/p-Si 및 p-Si 평면 구조의 곡선
ZnO/p-Si 이종 접합의 에너지 밴드 다이어그램은 그림 6b와 같은 평형 상태에서 구성되었습니다. 이 다이어그램에서 ZnO 및 Si의 전자 친화도는 각각 4.35 및 4.05 eV로 간주됩니다.
전도대 오프셋은 ∆E입니다. ㄷ =0.3 eV, 가전자대 오프셋은 ∆E v =2.54eV; 따라서 홀의 전도는 전방 I를 지배합니다. -V 접합부의 특징. 가전자대 오프셋은 매우 크며, 전자는 소수 캐리어이고 정공은 다수 캐리어이기 때문에 n-ZnO에서 p-Si로 전자의 확산 및 p-Si에서 n-ZnO로의 정공 확산이 있습니다. n-ZnO의 다수 캐리어와 정공은 소수 캐리어입니다. 낮은 순방향 전압에서 전류는 기하급수적으로 증가합니다. 따라서 앞으로 나 -V 그림 4d의 특성을 설명할 수 있습니다.
그림 6c는 I -그 1V 바이어스 전압에서 365nm UV 광을 조사했을 때 깃털 모양의 ZnO/p-Si 및 p-Si 평면 구조의 곡선. 응답 전류(I 빛 =나 자외선 − 나 어두운 ) ZnO/p-Si 소자에서 0.10mA로 응답 전류가 0.01mA인 Si 평면 소자에 비해 90% 향상되었습니다. p-Si 평면과 비교하여 ZnO/p-Si의 응답 전류 향상은 주로 생성된 캐리어를 빠르게 분리하고 광 생성 자유 전하의 재결합 속도를 감소시킬 수 있는 ZnO/p-Si 이종 접합의 존재 때문일 수 있습니다. 캐리어. 깃털 모양의 ZnO/p-Si 장치는 전자-정공 쌍의 재결합에 기인할 수 있는 조명 하에서 단일 지수 상승을 나타냅니다. 표 1에서 두 장치의 모든 매개변수를 검토했습니다. 베어 Si 평면과 비교하여 깃털 모양의 ZnO/Si 구조의 감도는 거의 10배 향상되었습니다. 또한, 그림 5c에서 볼 수 있듯이, 정공-전자의 재결합에 기인할 수 있는 깃털 모양의 ZnO/Si 장치의 경우 상승 및 감쇠 시간이 크게 증가했습니다. 결과는 깃털과 같은 계층적 ZnO 구조가 UV 광에 대한 우수한 감도를 나타냄을 시사합니다. 이러한 주기적인 동작은 두 장치 모두 UV 조명으로 매우 반복 가능한 광 응답을 보여줍니다.
깃털과 같은 계층적 ZnO 구조는 실온에서 손쉬운 SILAR 기술에 의해 시드 층이나 금속 촉매 없이 성공적으로 합성되었습니다. 2단계 핵생성-성장 과정의 가능한 메커니즘이 제안되었습니다. 한편, 깃털 모양의 ZnO는 우수한 반사 방지, 우수한 광 응답 및 향상된 UV 광전류를 가지고 있습니다. 모든 향상된 특성은 새로운 깃털과 같은 ZnO의 존재에 기인합니다. 이 계층적 ZnO 구조는 아마도 광검출기 장치에 잠재적으로 적용될 수 있을 것입니다.
나노물질
초록 이 작업은 Au 전극에 걸친 직류 유전영동 정렬을 사용하여 금속-나노와이어-금속 구성에서 ZnO 나노와이어 기반 장치의 제조 및 특성화를 보여줍니다. 소자의 전류-전압 특성은 정류하는 것으로 나타났고, 정류 방향은 유전 영동 정렬 과정에서 비대칭 Joule 가열로 인한 전류 방향에 의해 결정되었다. 줄 가열로 인해 Au 원자가 Au 전극에서 내부 ZnO NW로 확산되고 Au/ZnO 계면에서 쇼트키 접촉이 형성됩니다. UV 조명 하에서 캐리어 주입 및 광전류 이득으로 인해 역 바이어스 모드에서 정류 장치에 대해 빠르고 민감한
CO2 대 파이버 레이저 절단 0.25[6mm])에서 더 부드러운 절단면을 보여줍니다. 즉, 고출력 파이버 레이저 및 빔/가스 전달 기술의 발전이 이러한 격차를 좁힐 수 있다는 약속을 보여줌에 따라 이러한 이점이 줄어들고 있습니다. 파이버 레이저 절단이 귀하의 응용 분야에 적합한 솔루션입니까? 파이버 레이저 시스템은 고품질로 금속을 절단하고 부품의 복잡한 형상을 수용할 수 있는 능력을 확립했으며, 이는 다른 공정에서는 어렵습니다. 그러나 프로젝트에 파이버 레이저 절단기를 사용하기로 최종 결정을 내릴 때 고객은 일반적으로 특
