Fabrication and structural, optical, electrical properties of volmer-weber type ZnO nanocrystals and nanorods = 보머-웨버형 산화아연 나노 결정과 나노 막대의 제작 및 구조적 광학적, 전기적 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문의 주된 관심사는 개별적으로 떨어진 보머-웨버형 산화아연 나노 결정과 나노 막대를 제작하고 보머-웨버형 산화아연 나노 막대의 구조적, 광학적, 전기적 특성에 대한 것이다. 아울러 유연한 그라핀/플라스틱 기판 위에 성장한 산화아연 나노 선으로 나노제너레이터를 제작하고 그 특성을 평가하는 데 있다.
이웃한 보머-웨버형 산화아연 나노 막대들이 서로 엉겨 붙지 않고 독립적으로 성장하는 최적 조건을 구하는 실험을 시행하였다. 0.001 M의 질산아연 헥사수화물과 0.1 M의 수산화 나트륨 농도를 기준으로 약 60도에서 30분간 전열 처리한 전구체 수용액에서 이중탕 가열로 합성하여 얻어진 나노 막대가 본 연구에 가장 적합하였다. 에너지 분산 엑스레이 스펙트로스코피와 투과 주사 현미경을 통해 보머-웨버형으로 산화아연 나노 막대가 성장하였음을 증명하였다. 엑스레이 2θ 결과 값과 라만 E2high 봉우리의 이동값으로 보머-웨버형 나노 막대가 약 0.53 GPa의 압축응력을 받고 있음을 확인하였다.
열수용액 법으로 제작된 산화아연 나노 막대는 산소침입과 표면에 잔존하는 하이드록실기에 의한 적황색 가시광과 약한 자외선이 관찰되었고, 열처리 후 산화아연 나노 결정과 나노 막대의 자외선 발광 원인을 온도 별로 관찰하였다. 산화아연 나노 결정과 나노 막대의 주된 자외선 발광은 저온 영역에서 주개에 결합된 엑시톤에서 발생하였으며 나노 결정의 경우, 약 150 K이후부터 자외선 발광은 주 원인이 자유엑시톤으로 바뀌는 것을 바쉬니 곡선을 통해 확인하였다. 나노 막대의 경우, 뚜렷한 바쉬니 곡선의 변화를 보이지 않았으나 150 K 이상에서 주개에 결합된 엑시톤에 의한 바쉬니 곡선을 벗어나는 데이터들이 발생했으며 이를 다른 불순물이나 결함에 의한 원인일 것이라고 예상하였다. 더불어 아레니우스 식을 통해 주개에 결합된 엑시톤의 활성화 에너지가 나노 결정의 경우 약 6.8 meV이고 나노 막대의 경우 14.7 meV로 확인되었다.
백금과 보머-웨버형 산화아연 나노 막대 사이에 형성된 쇼트키 장벽에 관한 전류-전압 특성곡선에서 산화아연 나노 막대의 길이가 길어질수록 역전압에서 누수전류가 증가하였다. 페르미 준위가 낮아지고 쇼트기 장벽의 폭이 좁아져 터널링 현상으로 전달되는 전자가 많아졌으며 나노 구조체의 뾰족한 끝머리와 모서리가 외부 전기장 내에서 국소적인 전기장을 형성하여 누수 전류의 증가를 유도했다고 예상한다. 보머-웨버형 산화아연 나노 막대의 쇼트기 장벽은 약 0.64~ 0.68 eV를 가졌다.
마지막으로 유연성을 가진 그라핀/플라스틱 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노 선을 가지고 나노제너레이터를 제작하였다. 딥 코팅법과 열수용액법으로 성장한 산화아연 나노 선은 앞서 언급된 보머-웨버형과 달리 수직 성장성이 낮았으나 한 층으로 구성된 나노제너레이터 에서 약 0.1 ~ 0.2 V의 출력전압을 가졌으며, 8 ~ 10 nA의 전류신호를 측정 하였다. 두 층으로 구성된 나노제너레이터의 경우 물리적 결합이 불안정하여 불규칙적인 출력전압, 0.1 ~ 0.15 V를 기록하였다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 : INTRODUCTION 1
• 1.1. Preview of Research on ZnO 1
• 1.2. Overview of Dissertation 4
• 1.3. Research Trends for ZnO Nanowires/Nanorods 6
• CHAPTER 2 : BACKGROUND 10
• 2.1. ZnO and its Nanostructures 10
• 2.1.1. Growth Types of Thin Films 10
• 2.1.2. Growing Habit of ZnO 13
• 2.1.3. Necessity of Seed Layer and its Modification 14
• 2.1.4. Characteristic of Hydrothermal Synthesis and its Mechanism 16
• 2.2. Analysis for ZnO 20
• 2.2.1. Varshni's Formula 20
• 2.2.2. Raman Analysis 22
• 2.2.3. Photoluminescence 26
• 2.2.4. Origin of Carrier Recombination for ZnO 29
• 2.2.5. Activation Energy by Arrhenius Plot 34
• 2.2.6. Basics of Transmission Electron Microscopy 36
• 2.2.7. Current-Voltage Characteristics 40
• CHAPTER 3 : EXPERIMENTS 44
• 3.1. Fabrication / Synthesis 44
• 3.1.1. Fabrication of Volmer-Weber type ZnO Nanocrystals 44
• 3.1.2. Synthesis of Volmer-Weber type ZnO Nanorods 48
• 3.2 Measurement 52
• 3.2.1. XRD 52
• 3.2.2. SEM/EDX 53
• 3.2.3. Specimen Preparation/ TEM 53
• 3.2.4. Micro-Raman and Photoluminescence Spectroscopy 54
• 3.2.5. I-V Characteristic Curve 55
• CHAPTER 4 : RESULTS AND DISCUSSION 57
• 4.1. Optimal Synthesis Process for Individual VW ZnO NRs 57
• 4.1.1. Preheating Process 57
• 4.1.2. Optimal Concentration of the Precursors 59
• 4.1.3. Hydrothermal Temperature 59
• 4.1.4. Control of VW ZnO NCs 61
• 4.2. Structural Characterization of VW ZnO NRs 65
• 4.2.1. EDX Results 65
• 4.2.2. TEM Results 66
• 4.2.3. XRD Results 70
• 4.2.4. Raman Results 74
• 4.3. Investigation of Ultraviolet Carrier Recombination through Varshni's Formula and Arrhenius Plot 78
• 4.3.1. Temperature-Dependent PL of VW ZnO NCs 81
• 4.3.2. Temperature-Dependent PL of VW ZnO NRs 83
• 4.3.3. High-Resolution PL spectra of VW ZnO NCs and NRs 85
• 4.3.4. Investigation fo UV Carrier Recombination on VW ZnO NCs and NRs 88
• 4.4. Electrical Characterization of VW ZnO NRs 94
• 4.4.1. Current-Voltage Characteristic Curve 95
• 4.4.2. Schottky Barrier Height of Pt (111)/VW ZnO NRs 99
• CHAPTER 5 : ENERGY HARVESTING SYSTEM 104
• 5.1. Piezoelectric Nanogenerators Based on ZnO Nanowires 106
• 5.1.1. Piezoelectric Nanogenerators of ZnO Nanowires 106
• 5.1.2. Theoretical Approach of Piezoelectric Potential of ZnO Nanowires 107
• 5.1.3. Usage of Graphene Films for Flexible Nanogenerators 109
• 5.2. Fabrication of a Flexible Nanogenerator with ZnO Nanowires on a Graphene/Plastic Substrate 110
• 5.2.1. Fabrication of a Flexible Graphene/Plastic Substrate 110
• 5.2.2. Growing ZnO Nanowires on Graphene/Plastic Substrate 111
• 5.2.3. Fabrication of a Nanogenerator of ZnO Nanowires 114
• 5.3. Performance of Flexible NGs with ZnO NWs 118
• 5.3.1. ZnO NWs on a Flexible Graphene/Plastic Substrate 118
• 5.3.2. Performance of One-story-NG and Two-story-NG 121
• CHAPTER 6 : CONCLUSION 125
• REFERENCES 129
• APPENDIX 139
• SUPPORTING INFORMATION 143
• ABSTRACT (KOREAN) 145