Nanostructures have received steadily growing interest as a result of their peculiar and fascinating properties superior to their bulk counterparts. There are a large number of opportunities that might be realized by making new types of nanostructures. It is generally accepted that quantum confinement of electrons by the potential wells of nanometer-sized structures may provide one of the most powerful (and yet versatile) means to control the electrical and optical properties of a solid-state functional material. Efficient exploitation of this scientific fact in emerging potential applications of semiconducting oxide nanostructures requires careful size and morphology control and exploring unique chemical and physical properties of pure and doped nanostructures. In this research, semiconductor oxide 1-D nanostructures have been investigated, prime focus being their synthesis. These nanostructures have been characterized in terms of photoluminescence and gas sensing properties.
Zinc oxide nanostructures were synthesized by vapor transport method using ZnO and carbon mixture as source material. A systematic increase in diameters is observed for all the nanostructures when Ar flow is gradually increased. Possible reason proposed for the increase in diameter is increase in Zn vapor flux with higher flow rates. Morphological control is possible by placing the substrates in different temperature zones. Single crystalline Nanocombs, Nanowires and nanorods were formed in the high, intermediate and low temperature zones respectively. Morphology and structure of ZnO nanostructures were investigated using scanning and transmission electron microscopes. Room temperature photoluminescence has also been demonstrated for these nanostructures.
Post annealing of pure ZnO nanostructures is important as it provides an insight and help in explaining the growth kinetics and enhancement of different properties. Systematic SEM studies of unique nanocomb-shape dendrites after periodic heat treatments gives direct evidence of sublimation at much lower temperatures. The influence of heat treatment on the structural and luminescent properties of ZnO nanocombs is also investigated. The UV and visible emission depends strongly on the annealing temperatures and the luminescent efficiency of UV emission is enhanced significantly with each subsequent heat treatment. XRD and photoluminescence results suggest improvement in the crystal quality.
ZnO nanobelts were synthesized with high aspect ratio. These nanobelts show high selectivity towards CO and fast response and recovery time for NH3 In an effort to understand the growth behavior of the ZnO nanobelts with different growth directions, extensive HRTEM analysis was conducted. To investigate why these high energy planes are formed on the ZnO nanobelts synthesized by the vapor phase deposition method, an in situ annealing by electron-beam irradiation was conducted during the TEM observation. In situ HRTEM images revealed the shape change of the flat tip of the ZnO nanobelts as a result of interaction with incident electron beam. From the HRTEM observation, it is clear that the crystal facets change as the electron dosage increases.
In recent years, there has been considerable interest in developing reliable gas sensors. Although various types of sensors such as potentiometric, amperometric, fiber optic and biological sensors are available for detecting trace amount of gases, ceramic sensors have gained particular importance due to several advantages such as stability, wide operating temperature range, and flexibility in processing to thin/thick film during device fabrication. Doping in semiconductor oxides with selective elements offers an attractive method to increase selectivity and sensitivity of the sensor, which is crucial for their practical applications. Although massive research was conducted on doping of nanoparticles, it still remains a challenge to dope in 1-D semiconductors and explore their unique properties. Different levels of doping of ruthenium were tried and ruthenium oxide was used for that purpose. The gas sensing properties of Ru-doped nanostructures are very unique and show high selectivity for low concentrations of CO. PL properties of doped nanostructures suggest a consistent change with increase in RuO2 in starting material.
Size control of SnO2 nanobelts and rods has been demonstrated by simple thermal transport method. To explore the possible applications of these novel structures, single particle SnO2 gas sensor has been fabricated and successfully used to detect harmful gases like H2 and CO.
Based on the above results it can be concluded that ZnO and SnO2 nanostructures can be synthesized by vapor transport method. ZnO nanobelts act as highly selective and sensitive sensor. Heat treatment has been proven to enhance photoluminescence properties of ZnO nanostructures and in situ beam annealing suggests change in morphology. Doping of Ru in ZnO was successfully achieved demonstrating highly selective gas sensing properties and tunable PL properties.
ZnO 와 $SnO_2$ 의 나노구조체 합성을 위하여 기상법을 이용하였다. 이 기상법은 ZnO 의 나노구조체의 구조를 아르곤 가스의 조절로 효과적으로 제어 할 수 있다. 나노구조체는 Au 증착층에 형성되었으며 튜브로 안에 서로 다르게 위치한 고온, 중온, 저온 구역의 Si 기판에서 nanocombs, nanowires, nanorods 의 형상을 얻을 수 있었다. 나노구조체의 직경은 아르곤 가스의 증가에 따라서 현저한 차이를 나타내었다. 이러한 증가는 높은 아르곤 유량에 따른 carbothermal 반응에 의한 결과로 추측된다. ZnO 나노결정의 PL 특성을 가시광 영역에서 높은 방출 결함을 나타낸다.
ZnO 나노 벨트를 합성하였다. 나노 벨트의 길이는 12㎛ 나타내었고, 60nm 보다 작았다. HRTEM 분석을 통하여 나노 벨트는 같은 형상을 갖는 세 종류의 결정방향성으로 성장한다. 세 종류의 결정 방향은 smooth edge, 동일한 길이의 같은 폭과 사각 단면 구조를 나타낸다. 나노 벨트의 가스 센스 특성은 NH3와 CO 에서 높은 반응성을 나타낸다. 순수한 반도체 산화물 센서에서는 매우 드문 현상이면 이 효과는 나노크기의 나노벨트에 의하여 나타나는 것으로 판단된다. 나노구조체의 성장기구로 ZnO 합성에서 산소가 매우 중요한 역할을 하는 것을 확인 하였다. 2% 미만의 적은 산소 양에서는 기상-고상 반응 기구로 성장하고 기상-액상-고상 의 성장기구는 없었다.
순수한 ZnO 나노 구조체의 후열처리 특성을 확인하였으며 이 실험을 통하여 나노 구조의 응용성과 성장기구를 설명하는데 도움을 주었다. 독특한 comb-shape 의 수지상 구조가 단결정으로 성장 되었으며 2차상 사이에서만 박막이 존재하였다. 열처리 과정을 통하여 ZnO 나노구조체의 PL 특성이 조절되었다. 녹색발광과 관련된 UV 광이 지속적으로 증가되었으며 이는 열처리 과정에서 광 특성이 조절될 수 있음을 나타낸다. XRD 와 PL 결과를 통하여 결정성이 열처리에 의하여 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 결함의 감소와 고온에서 mobility가 기여한 것으로 판단된다.
ZnO 나노로드의 성장을 수열합성 조건에서 후열처리를 통하여 진행하였다. SEM 결과를 통하여 입자가 미세 침상 구조로 성장하는 것을 확인하였다. 직경은 42nm±3.2nm였고 길이는 400 nm 이상이었다. 실험조건을 조절하면 ZnO 나노구조의 형상을 조절할 수 있음을 제안하였다. ZnO 나노벨트의 성장기구를 이해하기 위하여 HRTEM 분석을 실시하였다. HRTEM 분석 도중 조사광에 의하여 어닐링이 발생함을 확인하였다. 조사광에 의하여 ZnO 나노 벨트의 끝단 부위가 변형됨을 확인 하였다.
반도체 물질에 도핑에 의해서 전기 광학 특성이 변화되는것으로 알려져 있다. 루테늄과 루테늄 산화물을 도핑물질로 사용하였다. Ru 도핑된ZnO nanorod를 합성하였고 HRTEM 분석으로 단면된 끝단을 확인할 수 있었다. 조사광에 의해서 형상의 변화를 확인하였으며 UV 광이 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 나노구조체의 가스 센싱 특성이 H2 와 CO에 매우 좋았다.
SnO2 나노벨트와 나노로드를 제조하였다. SnO2 나노벨트의 폭은 70~500nm 였고 두께는 100nm 길이는 50㎛ 이상이었다. 성장기구는 VLS기구였으며 고순도의 SnO2는 H2와 CO에 매우 좋은 가스 센서 특성을 나타내었다.
ZnO와 SnO2나노구조체를 기상법으로 제조 하였다. ZnO 나노구조체는 가스센서 특성이 향상되는 것을 보였으며 열처리에 의하여 광학적 특성을 조절할 수 있었다. ZnO 와 도핑된 ZnO 나노구조체를 실시간 조사광에 의한 어닐링 효과를 통하여 성장특성과 형상변화를 제안했다. Ru 도핑된 ZnO 는 높은 가스 센서 특성과 다양한 PL특성을 나타내었다.
