xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοραβδίων ZnO.
Ν. Μπούκος * , Χ. Χανδρινού, Χ. Στόγιος, Κ. Γιαννακόπουλος και Α. Τραυλός
Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, Αγ. Παρασκευή Αττικής 15310
*nboukos@ims.demokritos.gr
Το ZnO είναι ημιαγωγός με άμεσο χάσμα 3.4 eV και ενέργεια σύνδεσης εξιτονίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος
60meV.Την τελευταία δεκαετία εκδηλώνεται έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για νανοδομικά υλικά με βάση το οξείδιο του
ψευδαργύρου, με πιθανές εφαρμογές σε οπτοηλεκτρονικές νανοδιατάξεις, αισθητήρες και φωτοκαταλυτικές διατάξεις [1].
Η παρασκευή μονοδιάστατων νανοδομών ZnO επιτυγχάνεται είτε από την αέρια φάση (CVD, PLD, MBE) [2,3] είτε με
χημικές μεθόδους (υδροθερμία, sol-gel, θερμική αποδόμηση αλάτων του Zn) [4,5]. Οι χημικές μέθοδοι απαιτούν απλούστερο
και οικονομικότερο εξοπλισμό και είναι λιγότερο ενεργοβόρες καθώς πραγματοποιούνται σε θερμοκρασίες 70-150 ο C. Στην
εργασία αυτή παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός νανοραβδίων ZnO με μία χημική μέθοδο επάνω σε γυάλινα
υποστρώματα. Η ανάπτυξη πραγματοποιείται σε χαμηλή θερμοκρασία, έως και σε θερμοκρασία δωματίου (RT) και κατά
συνέπεια είναι δυνατό να εφαρμοστεί σε κάθε είδος υποστρώματος.
Τα νανοραβδία ZnO αναπτύσσονται ως εξής: Αρχικά στα γυάλινα υποστρώματα εξαχνώνεται με κανόνι ηλεκτρονίων
ένα υμένιο Ti πάχους (200nm) και ακολούθως ένα υμένιο ZnO πάχους 50nm μέσα σε θάλαμο υψηλού κενού σε
θερμοκρασία δωματίου. Κατόπιν το υπόστρωμα και ένα μεταλλικό έλασμα Zn τοποθετούνται σε υδατικό διάλυμα
φορμαμιδίου μέσα σε θερμοστατικά ελεγχόμενο λουτρό (RT≤T≤65 o C). Σημειώνεται ότι το υμένιο του Ti και το έλασμα Zn
βραχυκυκλώνονται ηλεκτρικά μέσω ενός εξωτερικού σύρματος. Μετά από 65 ώρες το υπόστρωμα με τα νανοραβδία που
έχουν αναπτυχθεί πλένεται με αιθανόλη σε λουτρό υπερήχων και αφήνεται να στεγνώσει. Θα πρέπει να τονιστεί ότι εφόσον
τα χρησιμοποιούμενα υποστρώματα είναι άμορφα και η θερμοκρασία μικρότερη των 65 o C αυτή η μέθοδος παρασκευής
μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανάπτυξη νανοραβδίων ZnΟ σε μία πληθώρα υποστρωμάτων όπως Si, ITO και εύκαμπτα
πλαστικά υποστρώματα.
Σχήμα 1. Εικόνα SEM και ΤΕΜ νανοραβδίων ZnO αναπτυγμένων σε διάλυμα 5%κ.ο. σε θερμοκρασία 65 o C
Στο Σχήμα 1α παρουσιάζεται μια εικόνα SEM της εγκάρσιας τομής των νανοραβδίων ZnO που αναπτύσσονται σε 5%
κ.ο.υδατικό διάλυμα φορμαμιδίου σε θερμοκρασία 65 o C. Διακρίνεται επίσης, το αρχικό υμένιο Ti/ZnO επάνω στο
υπόστρωμα.Οπως φαίνεται τα νανοραβδία αναπτύσσονται σχεδόν κάθετα ώς προς την επιφάνεια του υποστρώματος έχουν
βελονοειδή μορφή με εξαγωνική διατομή μέσης διαμέτρου 85nm και μέσο μήκος 3.5μm. Στο Σχήμα 1β παρουσιάζεται μία
εικόνα ΤΕΜ ενός νανοραβδίου. Η εικόνα περίθλασης ηλεκτρονίων, επάνω δεξιά ένθετο, αντιστοιχεί στην [2-1-10]
κρυσταλλογραφική διεύθυνση της εξαγωνικής δομής του ZnO (JCPDS 36-1451) και αποδεικνύει ότι τα νανοραβδία είναι
μονοκρυσταλλικά και αναπτύσσονται κατά μήκος του c-άξονα. Στο κάτω ένθετο φαίνεται η πυραμιδοειδής απόληξη του
νανοραβδίου που σχηματίζεται από τα (01-11) επίπεδα του ZnO. Η καλή κρυσταλλική ποιότητα του νανοραβδίου είναι
εμφανής από την εικόνα HREM του επάνω αριστερά ένθετου όπου παρουσιάζονται οι κροσσοί συμβολής των (0001)
επιπέδων του ZnO στην περιοχή της παράπλευρης επιφάνειας των νανοραβδίων.
Η ανάπτυξη των νανοραβδίων ZnO επάνω στο υπόστρωμα οφείλεται στο αυξημένο ρυθμό οξείδωσης του μεταλλικού
Zn μέσα στο υδατικό διάλυμα λόγω του φορμαμιδίου. Η προσθήκη φορμαμιδίου στο νερό έχει σαν αποτέλεσμα την
δημιουργία συμπλόκων στην περιοχή της ανόδου (έλασμα Zn):
Zn + nHCONH 2 → [Zn(HCONH 2 ) n ] 2+ + 2e -
Στην περιοχή του υποστρώματος τα σύμπλοκα αποσυντίθεται απελευθερώνοντας ιόντα Zn τα οποία αντιδρούν με το
ατμοσφαιρικό οξυγόνο που είναι διαλυμένο στο νερό και παράγουν ZnO:
[Zn(HCONH 2 ) n ] 2+ + 1/2O 2 + 2e - → ZnO + nHCONH 2
Τα ηλεκτρόνια που απαιτούνται προέρχονται από το βραχυκύκλωμα μεταξύ της ανόδου και του υμενίου του Ti. Λόγω της
ύπαρξης του υμενίου ZnO επάνω στο υπόστρωμα, η ενέργεια πυρήνωσης του ZnO στο υπόστρωμα είναι χαμηλή και κατά
συνέπεια το ZnO που απελευθερώνεται από τις παραπάνω αντιδράσεις εναποτίθεται προτιμητέα στο υπόστρωμα.
Η ανάπτυξη των νανοραβδίων είναι αποτέλεσμα της ανισοτροπίας του κρυστάλλου του ZnO που χαρακτηρίζεται από
διαφορετικές ταχύτητες ανάπτυξης κατά τους κύριους κρυσταλλογραφικούς άξονες V > V > V > [6].
[ 0001]
V
[0111] [0110] [0001]
6