[논문 리뷰] Controlled defects in ZnO by low energy Ar irradiation

Soubhik Chattopadhyay, Sreetama Dutta외 7명|arXiv (Cornell University)|2009. 11. 24.

ZnO doping and properties참고 문헌 58인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 저에너지 Ar8+ 이온 조사(1.2 MeV, 플루엔스 최대 1×10^15 이온/cm²)가 ZnO에서 제어 가능한 결함, 특히 산소 공여결함을 유도함으로써 흰색에서 어두운 붉은啡 갈색으로의 극적인 색상 변화를 유도함을 보여준다. 주요 결과는 기증자 농도와 이동도가 향상되어 전기저항이 4개 주기 감소한 것으로, 광발광 및 전기적 측정을 통해 확인되었으며, 이는 광전자 응용을 위한 ZnO에서 결함 공학을 조절 가능한 길을 제공한다.

ABSTRACT

We report interesting observations in 1.2 MeV Ar8+ ion irradiated ZnO which, to the best of our knowledge, have not been published earlier and will be useful for the scientific community engaged in research on ZnO. Irradiation with the initial fluence 1 X 10^15 ions/cm^2 changes the colour of the sample from white to orange while the highest irradiation fluence makes it dark reddish brown that appears as black. Such changes in colour can be correlated with the oxygen vacancy type defects. No significant change in the grain size of the irradiated samples, as revealed from the x-ray diffraction (XRD) line width broadening, has been observed. Increase of surface roughness due to sputtering is clearly visible in scanning electron micrographs (SEM) with highest fluence of irradiation. Room temperature Photoluminescence (PL) spectrum of the unirradiated sample shows intense ultra-violet (UV) emission (~ 3.27 eV) and less prominent defect level emissions (2-3 eV). The overall emission is largely quenched due to initial irradiation fluence. But with increasing fluence UV emission is enhanced along with prominent defect level emissions. Remarkably, the resistivity of the irradiated sample with highest fluence is reduced by four orders of magnitude compared to that of the unirradiated sample. This indicates increase of donor concentration as well as their mobility due to irradiation. Oxygen vacancies are deep donors in ZnO, but surely they influence the stability of the shallow donors (presumably zinc interstitial related) and vice versa. This is in conformity with recent theoretical calculations.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 Ar8+ 이온 조사가 ZnO의 구조적, 광학적 및 전기적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산소 공여결함 및 기타 결함이 ZnO의 전자적 및 광학적 거동을 어떻게 수정하는지 이해하기 위해.
• ZnO의 功能 향상을 위한 광전자 응용 분야에서 결함 공학을 제어 가능한 방법으로 탐색하기 위해.
• macroscopic 변화(색상, 전기저항)가 결함 형성과 적합자 농도와 어떻게 관련되어 있는지 연관시키기 위해.

제안 방법

• 1×10^13에서 1×10^15 이온/cm² 범위의 플루엔스로 1.2 MeV Ar8+ 이온을 ZnO 단일 결정체에 조사하기 위해.
• X선 회절(XRD)을 사용하여 구조적 변화와 선 폭의 증가를 통한 입자 크기 평가하기 위해.
• 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하여 스퍼터링 효과로 인한 표면 미세형상 및 거칠기 변화 분석하기 위해.
• 실온에서의 광발광(PL) 분광법을 사용하여 UV 발광 및 결함 관련 전이 연구하기 위해.
• 전기저항 측정을 통해 적합자 농도 및 이동도 변화 평가하기 위해.
• 특히 산소 공여결함을 중심으로 광학적 및 전기적 반응과 결함 유형 간의 연관성 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 Ar8+ 이온 조사가 ZnO의 광학적 방출 스펙트럼, 특히 UV 및 결함 관련 방출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 조사 플루엔스가 증가할수록 ZnO의 전기저항에 어떤 영향을 미치며, 이는 결함 유도 적합자 생성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 XRD 및 SEM를 통해 드러난 바와 같이, 조사 조건에서 입자 크기 및 표면 거칠이 얼마나 변화하는가?
• RQ4 관측된 전기저항 및 PL 변화에 따르면 산소 공여결함이 ZnO에서 浅가수 기증자(likely zinc interstitial-related)의 안정성과 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이온 조사를 통해 ZnO에서 제어 가능한 결함 공학을 달성할 수 있으며, 이를 통해 광전자 성질을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 1×10^15 이온/cm²의 조사로 인해 흰색에서 주황색으로 눈에 띄는 색상 변화가 발생하였으며, 최고 플루엔스에서는 어두운 붉은啡 갈색(거의 검은색)으로 변색되었다.
• 최고 플루엔스에서 조사 후 ZnO의 전기저항이 4개 주기 감소하여 기증자 농도와/또는 적합자 이동도가 크게 증가한 것으로 나타났다.
• 실온에서의 광발광 측정에서 낮은 플루엔스에서 UV 발광(~3.27 eV)이 강하게 억제된 후 플루엔스 증가와 함께 강화되었으며, 2–3 eV 범위에서 두드러진 결함 관련 발광이 관찰되었다.
• XRD 분석 결과 입자 크기에 유의미한 변화가 없었으며, 이는 구조적 열화가 결정 구조의 왜곡이나 입자 크기 증가로 인한 것이 아님을 시사한다.
• SEM 영상에서 스퍼터링 효과로 인한 표면 거칠기 증가가 확인되었으며, 이는 최고 플루엔스에서 가장 두드러졌다.
• 관측된 변화는 산소 공여결함의 형성으로 인한 것으로, 이는 깊은 기증자로 작용하며 얕은 기증자(일반적으로 아연 이물질 관련)의 안정성에 영향을 미친다. 이는 최근의 이론 예측과 일치한다.