Investigation of the luminescence properties of ZnO nanostructures

ZnO 나노 구조의 형상에 따른 발광 특성에 관한 연구

ZnO nanostructure was fabricated by catalyst-free method using Zn powder in air. The growth temperature was controlled from 450$^{\circ}$C to 600$^{\circ}$C, and the structural and optical properties were investigated by scanning electron microscopy (SEM), photoluminescence (PL), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and cathodoluminescence (CL). From all samples both ZnO tetrapods and clusters were observed. No significant dispersion was observed from the ZnO tetrapods, however, ZnO clusters show considerable change in density and size. From the EDX results, atomic composition difference was found. The clusters have O-deficiencies, while tetrapods have stoichiometric composition. Strong luminescence was observed at room temperature. From room temperature PL, UV emission at 380 nm and green emission at 500 nm were observed, and the intensity ratio ($I_{uv}/I_{green}$) increased as growth temperature increases. CL measurements show that the UV emission is closely related with tetrapods and the green emission is dominated from the clusters.

대기 중에서 Si 기판 상에 촉매를 사용하지 않고 Zn powder만을 사용하여 ZnO 나노 구조를 성장시켰다. 450$^{\circ}$C ${\sim}$ 600$^{\circ}C$의 성장 온도에서 형성된 ZnO 나노 구조는 다양한 측정 방법을 이용해 구조적, 광학적인 특성을 분석하였다. Scanning Electron Microscopy (SEM)로 관찰한 결과, 모든 성장 온도에서 tetrapod 형 나노 구조와 구형의 cluster가 관찰되었다. Tetrapod 형 나노 구조는 성장 온도에 의한 크기나 밀도에 큰 영향이 없었지만, 구형의 cluster의 경우 성장 온도에 따른 밀도와 크기의 변화가 관찰되었다. Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX)로 각각의 구조의 원소 조성비를 분석한 결과, tetrapod는 Zn:O가 1:1인 화학양론적인 조성을 보였으나, cluster는 산소 결핍형의 조성비를 가지고 있었다. 성장된 모든 샘플은 실온에서 매우 강한 발광을 보였으며, 380nm 중심의 UV 발광 피크와 500nm 중심의 green 발광 피크 (G-밴드)가 관찰되었고, UV 발광의 강도에 대한 G-밴드의 강도는 성장 온도가 높아질수록 증가하였다. 이러한 두 가지 발광 피크의 기원을 조사하기 위해 Cathodoluminescence(CL) 측정이 이루어졌고, UV 발광은 주로 tetrapod 구조에서, G-밴드 발광은 주로 cluster 구조에서 기인한다는 사실을 알 수 있었다.