ZnO 나노 와이어 위에 담지된 Au 나노 입자 연구

ZnO 나노 와이어 위에 담지된 Au 나노 입자 연구

증기-액체-고체 공정을 통해 촉매에서 고품질 나노 와이어를 성장시킬 수 있습니다. 촉매 박막의 기존 사용에 대한 대안 인 콜로이드 나노 입자는 비용 측면에서 뿐만 아니라 성장된 나노 와이어의 위치, 크기, 밀도 및 형태를 제어하는 측면에서도 이점을 제공합니다. 이 작품에서 우리는 증기 수송 방법에 의해 ZnO 나노 구조의 촉매 지원 성장에 콜로이드 Au 나노 입자 현탁액의 다른 매개 변수의 영향에 대해보고 합니다. 용매 및 농도와 같은 콜로이드 매개 변수를 수정하고 온도, 압력 및 Ar 가스 흐름과 같은 성장 매개 변수, ZnO 나노 와이어, 나노 시트, 나노 튜브 및 분 지형 나노 와이어를 실리콘 및 알루미나 기판의 실리카 위에 성장시킬 수 있습니다. 고해상도 투과 전자 현미경은 얻은 ZnO 나노 구조의 높은 결정 품질을 보여줍니다. 광 발광 결과는 엑시톤 피크에 해당하는 자외선 범위에서 우세한 방출을 보여주고, 다른 결함 재결합 과정과 관련된 가시 범위에서 매우 넓은 방출 대역을 보여줍니다. ZnO 나노 구조의 모양을 제어하는 성장 매개 변수와 메커니즘이 여기에서 분석되고 논의됩니다. ZnO-분지형 나노 와이어는 촉매 이동을 통해 자발적으로 성장했습니다. 또한, 기판은 금속 나노 입자의 표면 이동도에 영향을 주어 ZnO 나노 와이어의 직경을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. ZnO는 큰 엑시톤 결합 에너지 (60 meV)를 갖는 직접 밴드 갭 (3.37 eV) 반도체입니다. 구성 요소의 풍부하고 저렴한 비용과 고유 한 반도체, 광전자 및 압전 특성으로 인해 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. ZnO의 이러한 기능적 특성은 나노 튜브 (NT), 나노 시트 (NS) 및 나노 와이어 (NW)와 같은 나노 구조의 성장을 통해 나노 크기에서 향상될 수 있습니다. ZnO NW는 효율적인 3 차 고조파 UV 생성을 보여주고 미래의 나노 스케일 센서 뿐만 아니라 태양 전지와 같은 광전자 장치에도 귀중한 재료입니다. 이러한 모든 응용 분야에서 고 결정 품질의 ZnO NW의 가용성은 필수입니다. ZnO NW는 용액 성장, 습식 화학 방법, 템플릿 유도 성장 및 증기 수송과 같은 다양한 접근 방식을 사용하여 합성 할 수 있습니다. 증기 수송 방법은 Au를 촉매로 사용하는 증기-액체-고체 (VLS) 공정을 통해 고품질 단결정 ZnO NW를 성장시킬 수 있습니다. 이 과정에서 기판 위에 증착 된 Au 박막을 어닐링하여 ZnO NW 성장을 위한 촉매 역할을 하는 Au 클러스터를 생성합니다. ZnO NW 형태에 대한 제어는 열 어닐링 후 Au 클러스터 크기를 결정하는 층 두께에서 비롯됩니다. VLS 공정에 의해 성장 된 ZnO NW의 형태를 제어하는 대안 전략은 촉매로 콜로이드 Au 나노 입자 (NP)를 사용하는 것입니다. Au NP의 직경과 생성 된 ZnO NW, 증착 된 Au NP의 밀도와 생성 된 ZnO NW의 밀도간에 직접적인 상관 관계가 있습니다. 이러한 매개 변수는 생산 된 재료의 기능적 특성에 중요한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 면적 밀도가 낮을수록 ZnO NW의 전계 방출 특성이 향상됩니다. 콜로이드 Au NP를 촉매로 사용하는 추가 이점은 증착 공정이 간소화되고 Au 총량을 크게 줄일 수 있다는 것입니다. 따라서 콜로이드 Au NP는 생산 된 ZnO NW의 특성을 정밀하게 제어하는 동시에 처리 비용을 크게 절감 할 수있는 두 배의 기회를 제공합니다. 또한 콜로이드 Au NP를 사용하면 ZnO NW 성장 위치를 간단하고 정확하게 선택할 수 있습니다. 기판 위에 지지 된 Au NP는 고온에서 확산, 접근 및 유착 될 수 있습니다. 이러한 과정은 광범위하게 연구되었습니다. 그러나 지금까지 얻은 ZnO 나노 구조의 형태에 콜로이드 매개 변수가 미치는 영향에 대한 철저한 연구는 아직 연구되지 않았습니다. 이 연구에서 우리는 증기 수송 방법을 통해 촉매 보조 성장에 의해 얻은 단결정 ZnO 나노 구조의 성장에 Au NP의 다른 콜로이드 현탁액이 미치는 영향을 연구합니다. 다양한 ZnO 나노 구조는 성장 매개 변수, 사용된 용매 및 실리콘 (SiO2/Si) 및 알루미나 (Al2O3) 기판에 실리카 위에 증착 된 콜로이드 Au NP의 농도에 따라 얻어졌습니다. ZnO 나노 구조는 전계 방출 주사 전자 현미경 (FESEM), 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM) 및 광 발광 (PL) 분광법으로 특성화되었습니다. 먼저, SiO2/Si 기판 위에 합성된 ZnO NW의 형태에서 성장 온도 효과를 연구했습니다. 샘플 1 ~ 4는 압력을 760 Torr로 유지하고 Ar 가스 흐름을 400 sccm로 유지하면서 700, 800, 850 및 900 ° C의 온도에서 성장했습니다 (표 1). 얻어진 샘플은 형태 학적 진화를 추적하기 위해 FESEM으로 분석되었습니다 (그림 2a–d). 800 ° C 및 더 낮은 온도에서 처리된 샘플의 경우 ZnO NW가 성장하지 않았고 SiO2 표면에서 Au 나노 클러스터 만 발견되었습니다 (그림 2a, b 참조). 이 결과는 C와 함께 ZnO의 분해가 약 850 ° C에서 발생한다는 점을 고려하여 설명됩니다. ZnO NW의 성장은 그림 2c와 같이 온도를 850 ° C로 높일 때 달성되었습니다. ZnO NW는 기판에 대해 수직으로 성장하지 않았지만 ZnO와 비정질 SiO2 표면 사이의 격자 호환성 부족으로 인해 무작위로 배향되었습니다. 이 무작위 배향은 SiO2/Si 기판 위에 촉매로 스퍼터링 된 Au 박막을 사용하여 성장한 ZnO NW에서도 이전에 관찰되었습니다. 생성 된 ZnO NW (약 100 nm)의 평균 직경은 촉매로 사용 된 콜로이드 Au NP (19 nm)보다 훨씬 컸습니다. 합성 과정에서 고온은 증착 된 Au NP의 확산과 유착을 강제하여 더 큰 Au 도메인을 형성했습니다 (그림 2a 참조). ZnO 합성 과정에서 이러한 Au 도메인은 ZnO/C 분말 혼합물의 탄열 환원에서 나오는 Zn 증기와 합금되며, Au가 Zn으로 과포화되면 Zn은 도메인의 액체-고체 계면에서 산화됩니다. 그런 다음 더 큰 직경을 가진 고체 ZnO NW의 핵 생성 및 성장이 발생합니다. 또한 ZnO NW는 SiO2 표면에 콜로이드 Au NP가 균일하게 분포하기 때문에 SiO2/Si 기판에 균일하게 분포되어 성장합니다 (그림 2d 참조). ZnO NW의 VLS 성장을 위한 촉매로 콜로이드 Au NP를 사용하는 것은 기존의 처리 방법에 대한 저렴한 대안 일 뿐만 아니라 나노 구조 특성을 조정할 수도 있습니다. 콜로이드 Au NP 용액의 용매와 농도는 밀도를 결정할 뿐만 아니라 치수와 형태에 큰 영향을 미칩니다. 또한 기판은 ZnO NW의 직경을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 역할은 NP의 초기 분포 및 고온에서 증착 된 콜로이드 Au NP의 표면 이동성에 대한 기질 영향과 관련이 있습니다. ZnO NWs는 Au NP의 수성 현탁액을 사용할 때 유일한 제품이었고 톨루엔 또는 헥산 용매를 사용하면 ZnO NWs, NSs, NTs 및 b-NWs가 생산되었습니다. ZnO 나노 구조의 다양성은 콜로이드 Au NPs 농도를 감소시킬 때 증가했습니다.