以化學浴沉積法成長穩定形貌結構之氧化鋅奈米柱及其發光特性之研究
郭謹瑞1*, 溫武義1, 沈錦昌2, 翁屴維1, 祁季偉1
1電子所, 中原大學, 桃園縣, Taiwan
2行政院原子能委員會核能研究所, 桃園, Taiwan
* presenting author:郭謹瑞, email:axdv7651@hotmail.com
本研究主要利用化學浴沉積法成長氧化鋅奈米柱,藉由有系統的調整製程參數,歸納出各成長環境下所成長之奈米柱表面形貌,以製備出方向性一致且口徑小於100nm之氧化鋅奈米柱,並分析其紫外光波段之發光特性,探討各成長參數對於發光特性之影響。首先利用濺鍍法於矽基板(111)上成長ㄧ層氧化鋅晶種層,再運用化學浴沉積法於氧化鋅晶種層上成長氧化鋅奈米柱,透過改變成長溶液濃度、成長溫度、成長時間,可製備出不同形貌之氧化鋅奈米柱,其發光特性也隨調整參數而有不同變化。
由X光繞射(XRD)量測結果可知,利用化學浴沉積法於晶種層上所成長的氧化鋅奈米柱具有相當顯著的(002)面晶相訊號,亦可藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察確認。藉由SEM量測的結果可發現,隨著反應溶液濃度的提升,氧化鋅奈米柱的口徑有逐漸變大且彼此熔合的趨勢,然而柱高漸小;隨著化學浴成長之時間增加,氧化鋅奈米柱之柱高及口徑皆會逐漸變大。隨著成化學浴成長溫度之上升,奈米柱間的間隙會逐漸變大,最後傾倒,且在85℃時開始彼此熔合。最後藉由降低反應溶液濃度至0.025M且控制成長時間至3小時及成長溫度至65℃,可製備出平均口徑小於60nm之氧化鋅奈米柱。室溫光激螢光(PL)量測的結果顯示出,於光子能量約為3.28eV之紫外光波段處皆有明顯的自由激子所致發光。低溶液濃度下所成長奈米柱,其發光強度比高濃度所成長者高且半高寬也較窄。在65℃及95℃下,增加成長時間所製備出之氧化鋅奈米柱,低溫成長環境下,自由激子之發光強度與成長時間成正比;而高溫成長環境下則呈現相反趨勢變化。低溫(5K)PL量測下,可觀察出在光子能量為3.37eV波段處之發光主要為施體束縛激子所造成。最後透過變溫PL量測,可得知施體之束縛激子在升溫的過程逐漸轉變為自由激子之過程變化。本研究未來將以此奈米柱結構製作pn二極體,再進行電性上之改量,探討應用本材料結構於研製紫外光發光二極體之可能性。


Keywords: 氧化鋅, 奈米柱, 化學浴沉積法