Nanostructured ZnO materials with various sizes, morphologies, defects and impurities have been prepared by many synthetic methodologies with their unique properties. The various techniques include physical, chemical and electrochemical methods to synthesis highly ordered and well aligned 1D ZnO nanorods. Most of the synthetic methods follow high temperature and sophisticated equipments in addition with the high-cost procedures to obtain highly oriented nanostructure materials. In the literature, the growth of ZnO nanostructures were studied using various processes that involve the coating of a substrate with nano sized ZnO seeds and followed by decomposition of Zn-organic complexes under mild hydrothermal conditions. Moreover, aligned nanorods are achieved on a lattice matching substrate using a catalyzing metal particle, often gold nanoparticles and platinum (Pt) films, to initiate or guide the growth were pre-coated on the growth surface that functions as a catalyst for the growth of ZnO nanorods. In particular, a well-ordered and highly oriented ZnO nanorod directly grown on a zinc substrate was recognized, in recent years, by a simple direct surface-oxidation of zinc metal surface that capitulate zinc ions into the solution under a hydrothermal condition. In the course of studies on the synthesis of inorganic materials in organic media as co-solvent, by a solvothermal process resulted in products with a high degree of crystallinity and high aspect ratio obtained in various forms, such as nanorods/nanowires/nanoparticles, of anatase $TiO_2$, iron oxides (α-$Fe_2O_3$ and $Fe_3O_4$), CdE (E = S, Se, Te), $CdWO_4$, $Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$ and $WO_3$. Nevertheless, it still remains a momentous challenge to obtain controllable growth of well ordered nanoarrays.
In this study, growths of 1D ZnO nanostructures on the large area surface of single and polycrystal zinc metal substrates through a simple low temperature solvothermal process were investigated. The synthesized 1D zinc oxide nanostructure materials with controlled length, diameter, aspect ratio and tip morphologies and crystal phase formation were characterized through SEM, TEM, SAED and XRD techniques. The possible growth mechanism for the highly ordered and oriented ZnO crystal was discussed. The photoluminescence (PL) property of the grown 1D ZnO nanorods was studied using a PL spectroscopy.
1D 나노 구조체의 제조 및 그 특성 평가는 많은 연구자들의 관심의 대상이 되어왔다. 그 중 ZnO의 1D 구조체는 광학적, 전기적 소자로의 응용이 관심을 받고 있다. 특히 큰 exciton binding energy를 가지고 있어 optical pumping에 의한 laser로의 응용이 기대대고 있다. 또한 높은 장경비를 가지고 있으며, 화학적으로 안정하여, 전계 방출 소자의 cathode의 응용이 기대되고 있다.
광학적, 전기적 소자로의 응용을 위해서는 대면적의 정렬된 높은 장경비를 가지는 1D 구조체의 array 제조가 필요하다. Zn metal의 Solvothermal treatment를 이용하여 1D 구조체들을 제조하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
i) 간단한 저온 solvothermal 공정을 통하여 1차원 ZnO 나노 구조체가 만들어졌다. 1차원 ZnO 나노구조체의 크기 및 모폴로지에 미치는 온도와 용매의 영향이 조사되었다.
1차원 구조체의 직경은 온도에 따라 변화하였다. 낮은 온도에서는 1차원 ZnO는 작은 직경과 좁은 크기 분포를 가지고 있었으나, 온도가 증가함에 따라 더 큰 직경을 가지며, 분포가 불균일한 구조체들로 변화하였다. 또한 용매를 변화시킴에 따라 다양한 장경비를 가지는 1차원 ZnO가 합성되었다. 이러한 온도와 용매 변수를 조절함으로써, 정렬된 구조의 대면적 1차원 ZnO 어레이가 Zn 금속 위에 형성되었다.
ii) solvothermal 공정을 이용하여, Zn 금속 판위에 ZnO를 형성하는 메커니즘을 연구하기 위해 시간에 따른 1차원 구조체의 형성과정을 관찰하였다. 초기 길이 방향으로 ‘oriented attachment’가 관찰되었으며, 이러한 배향에 의해 길이방향으로 초기에 길이가 결정되었음을 확인하였고, 이후 ‘Ostwald ripening’에 의해 매끈한 1차원 나노 구조체로 변화함을 확인하였다.
iii) 초기 Zn 금속판과 ZnO의 정렬체의 관계를 살피기 위해 다른 배향을 가지는 Zn 단결정 금속을 사용하여 ZnO를 형성하였다. 다른 배향의 단결정 Zn에서 성장한 ZnO는 각기 다른 tip shape을 가지고 있었으며, 특히, (1-101) 면에서 성장한 ZnO는 날카로운 형상을 가지고 있는 반면, (0002) 면에서 성장한 ZnO는 끝이 평평하였다. 이러한 모폴로지 차이는 각기 다른 소자로의 응용에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
iv) 금속 판위에 solvothermal 공정을 응용하여 금속산화물을 합성하는 방법을 다른 금속에도 적용하였다. 화학적으로 매우 안정한 W 금속 판위에, 1-Propanol과 물의 혼합용매, Perchloric acid를 산화제로 사용하여 균일한 WO3 구조체를 합성하였다. 합성된 WO3는 5 um × 5 um × 1 um 의 크기를 가지는 plate형태였으며, 각각의 plate는 35 nm의 얇은 면위에 길이 500 nm , 직경 20 nm인 나노와이어들이 정렬되어 있는 형태로 매우 균일한 구조체였다. 본 공정이 다양한 금속 산화물의 제조에 응용될 수 있을 것으로 확인하였다.
