[論文レビュー] Controlling of ZnO nanostructures morphology for guiding the structural and optical properties

Amit Kumar Rana, Yogendra Kumar+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2017

Advanced optical system design被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、水熱的合成法において温度および反応パラメータを調整することで、亜鉛酸化物（ZnO）ナノ構造の形態（ナノロッド、ナノフラワー、ナノニードル、ナノチューブ）を正確に制御できることを示している。化学ドーピングを伴わずに、構造的および光学的特性を直接設計可能である。主な結果として、可変性のあるバンドギャップ（3.25–3.36 eV）と強化された光励起発光が得られ、ナノロッドは欠际の低減と最適化された表面構造により、最も高い発光強度を示した。

ABSTRACT

Most of the applications of the nano structures dependent on the morphology which affects the opto electronics properties. This research article provides a pathway of guiding optical properties like band-gap and fluorescence properties by controlled growth of nano-rods, -flowers, -needles or- tubes without external chemical doping, by simple hydro thermal method by controlling over synthesis parameter, temperature.

研究の動機と目的

• ZnOナノ構造における形態制御が、その構造的および光学的特性に与える影響を調査すること。
• ナノロッド、ナノフラワー、ナノニードル、ナノチューブなどの特徴的なナノ構造の形成を可能にする、特に温度を含む合成パラメータを同定すること。
• 外部の化学ドーピングを伴わず、バンドギャップや発光特性といった可変性のある光学的特性を実現すること。
• デバイス応用を想定し、ナノ構造の形態とオプトエレクトロニクス的性能の直接的な相関関係を確立すること。

提案手法

• 亜鉛ナイトレートとヘキサメチレンテトラミンを前駆体として用い、水熱的合成法によりZnOナノ構造を成長させた。
• 合成温度（120–180 °C）を制御することで、形態を体系的に変化させ、高温ではナノロッドおよびナノチューブの形成が促進された。
• X線回折（XRD）を用いて、ウルツァイト相の確認および結晶性の評価を実施した。
• 紫外可視分光法および光励起発光（PL）分光法を用いて、バンドギャップおよび発光特性を分析した。
• 形態の進化をフィールドエミッション走査型電子顕微鏡（FE-SEM）でモニタリングし、構造と光学応答の相関を評価した。
• 化学ドーピングが存在しないため、観察された特性変化は、すべて形態的および構造的変化に起因するものであることが保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水熱的環境下で、合成温度がZnOナノ構造の異なる形態の形成にどのように影響するか？
• RQ2 化学ドーピングを伴わず、ナノ構造の形態制御によってZnOのバンドギャップをどの程度まで調整可能か？
• RQ3 ZnOにおけるナノ構造の形態と光励起発光強度およびピーク位置の関係は何か？
• RQ4 PL分析に基づくと、どの形態が最高の光学的品質および欠际耐性を示すか？
• RQ5 ZnOナノ構造において、形態制御によって構造的および光学的特性を独立して設計可能か？

主な発見

• 160 °Cで合成されたZnOナノロッドは、最も高い光励起発光強度を示し、優れた光学的品質および欠际密度の低減を示した。
• ZnOナノ構造のバンドギャップは、形態および合成温度に応じて3.25 eVから3.36 eVの範囲で変動し、調整可能であることが示された。
• ナノフラワーおよびナノニードルは主に140–150 °Cで形成されたが、ナノチューブは180 °Cで出現した。これは、温度依存的な相および形態の進化を示している。
• XRD分析により、全試料でウルツァイト相のZnOが確認され、ナノロッドでは結晶性が向上していた。
• FE-SEM画像により、160 °Cで明確に定義された高アスペクト比のナノロッドの形成が確認され、最適な光学応答と相関した。
• ドーピングが存在せず、観察された光学的調整が、形態および表面構造がオプトエレクトロニクス的挙動を決定づける役割を果たしていることを示している。