[논문 리뷰] Defect related photoluminescence and EPR study of sintered polycrystalline ZnO

Sanjiv Kumar Tiwari|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 28.

ZnO doping and properties참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다결정 ZnO의 결함 관련 광발광 및 전자스핀공명(EPR)을 분석하여 산란 중심과 그 전자적 상호작용을 규명하고자 한다. 저온 PL 및 EPR를 이용해 저자들은 g = 1.985에서의 EPR 신호를 Zn 이물질로, g = 1.956에서의 신호를 산소 공여자로 할당하였으며, 전자기 상태의 이완과 스핀-오르빗 결합 효과가 진동자 전이 에너지 이격에 미치는 영향을 규명함으로써 다결정 ZnO 시스템 내 결함 유도 전자 행동에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

We report on low temperature photoluminescence (PL) and EPR study of bulk polycrystalline ZnO . Variation of peak position of donor bound exciton transition (D1XA) and FXAn=1-1LO with pump intensity show red shift and blue shift respectively due to exciton-exciton scattering. EPR spectra reveals three peaks at g value of 1.985, 1.956 and 1.939 respectively, g=1.956 and g=1.985 is due to shallow donors Zn interstitial and oxygen vacancy respectively An EPR spectrum at 100 K reveals higher degree of asymmetry and hyperfine splitting due to crystal field and inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers. Strength of crystal field splitting (CFS) and spin orbit coupling (SOC) in sample is discussed using PL peak position of various excitonic emissions. Whereas, inhomogeneous relaxation of paramagnetic centers is discussed in terms of their activation energy during thermal quenching process.

연구 동기 및 목표

• 전자스핀공명(EPR) 분광법을 이용해 다결정 ZnO 내 스핀-공명 결함을 규명하고 특성화하는 것.
• 특히 기부자 결합 진동자 전이와 관련된 특정 결함 상태와 광발광(PL) 특징을 연관시키는 것.
• 진동자 방출 에너지에 영향을 미치는 결정장 분리(CFS)와 스핀-오르빗 결합(SOC)의 영향을 조사하는 것.
• 비균일한 이완을 분석하기 위해 열적 소실 행동과 활성화 에너지 추정을 수행하는 것.
• 결함 관련 전자 상태가 다결정 ZnO의 광학적 및 자기적 성질을 결정하는 데 수행하는 역할을 이해하는 것.

제안 방법

• 저온 광발광(PL) 분광법을 사용하여 기부자 결합 진동자(D1XA) 및 자유 진동자(FXAn=1-1LO) 전이를 포함한 진동자 방출 피크를 측정하였다.
• 100 K에서의 EPR 분광법은 g = 1.985, 1.956, 1.939에서 세 개의 별도된 신호를 확인하여 다수의 스핀-공명 중심을 나타내었다.
• g-값은 특정 결함에 할당되었으며, g = 1.985는 Zn 이물질(얕은 기부자)로, g = 1.956는 산소 공여자로 할당되었다.
• 진동자 PL 피크의 에너지 이격을 통해 결정장 분리(CFS)와 스핀-오르빗 결합(SOC)을 추정하였다.
• 비균일한 이완의 활성화 에너지를 추출하기 위해 열적 소실 행동을 분석하였다.
• 펌프 강도 의존성 PL 측정을 통해 D1XA는 빨간색 이격, FXAn=1-1LO는 파란색 이격가 관찰되어 진동자-진동자 산란 효과가 존재함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정 ZnO에서 EPR로 관찰된 스핀-공명 중심의 성격과 기원은 무엇인가요?
• RQ2 결정장 분리와 스핀-오르빗 결합은 진동자 PL 방출 에너지의 위치에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 진동자-진동자 산란은 D1XA 및 FXAn=1-1LO PL 피크의 강도 의존성 이격에 어떤 역할을 하나요?
• RQ4 열적 소실 행동은 샘플 내 비균일한 스핀-공명 중심의 이완에 어떻게 반영되나요?
• RQ5 g = 1.985, 1.956, 1.939에서의 세 개의 EPR 신호는 어떤 특정 결함 종류에 할당되는가요?

주요 결과

• g = 1.985에서의 EPR 신호는 Zn 이물질로 기인하며, ZnO 격자 내 얕은 기부자로 확인되었다.
• g = 1.956에서의 EPR 신호는 산소 공여자로 할당되었으며, 다결정 ZnO에서 얕은 기부자로 기능한다.
• g = 1.939에서의 EPR 신호는 세 번째 스핀-공명 중심으로 관련되며, 복합 결함 구조나 표면 상태와 관련된 가능성이 있다.
• 진동자 PL 피크의 에너지 이격을 통해 결정장 분리(CFS)와 스핀-오르빗 결합(SOC)을 정량화하였으며, 이는 결함 상태 내 강한 전자적 상호작용을 시사한다.
• 열적 소실 분석을 통해 비균일한 스핀-공명 중심의 이완 활성화 에너지가 도출되었으며, 이는 결함 분포 내 에너지 불순도를 반영한다.
• 펌프 강도 의존성 PL 측정에서 D1XA는 빨간색 이격, FXAn=1-1LO는 파란색 이격가 관찰되어 진동자-진동자 산란이 시스템 내 존재함을 확인하였다.