Hydrothermal synthesis and morphology control of ZnO nanowire arrays for energy harvesting applications
- 주제(키워드) ZnO nanowire , Hydrothermal growth , Nanogenerator
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김영근
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 2
- 학위구분 박사
- 학과 일반대학원 신소재공학과
- 세부전공 신소재물성전공
- 원문페이지 156 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000034026
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045696993
초록/요약
Physical properties of zinc oxide (ZnO) nanowire array such as densities, length, etc. are very critical for nanodevice and its application. Here, we chose the growing method for ZnO nanowire array as hydrothermal technique and effects of various process parameters on hydrothermal growth were examined in details. Based on the experimental results, it was found that the ZnO nanowire growth was strongly dependent on the surface roughness of seed layer and the substrate temperature. We could produce high-quality ZnO nanowire arrays applicable to energy conversion devices. Based on these optimal growth process conditions, two innovative methods to control the morphology of zinc oxide nanowire arrays were suggested; the utilization of nano dots as a self-mask and the surface treatment of seed layers. Firstly, we studied a masking method using metal nano dots to inhibit the nucleation of ZnO nanowires as a new means to control the density of ZnO nanowires. We artificially regulated the precipitation of ZnO, which occurs when Zn cations dissolved in solution form intermediate complexes with OH anions from nucleation sites existing on the surface of the Al doped zinc oxide (AZO) seed layer. It was observed that silver (Ag) and cupper (Cu) nano dots only played a role of self-masks compare to Au nano dots. The second method to control the morphology of zinc oxide nanowire arrays is to use a plasma treatment of the seed layer prior to the hydrothermal growth. ZnO nanowire arrays with various densities and diameters were obtained by altering the wetting properties of seed layers. Our investigation shows that the diameter of ZnO nanowire increases and the length of ZnO nanowire decreases as the contact angle on the AZO seed layer is decreased. In addition, we proposed a novel hydrothermal synthesis with ammonium chloride for long ZnO nanowires without precursor recycling, which was suitable for the high converting efficiency nanogenerator. As a result, we obtained a maximum current density of ~1.6 μA/cm2 by applying a compressive force to the nanogenerator using a linear motor.
more초록/요약
ZnO 나노와이어의 길이, 종횡비, 배열 밀도 등 형상의 변화는 물리적 성질뿐만 아니라 나노 소자 및 응용 제품들의 성능에 직접적인 영향을 미치는 주요 인자들이다. 본 논문에서는 용액 내에서 Zn+ 이온과 2OH- 이온 사이에 일어나는 열수반응(hydrothermal)을 이용하여 기판상에서 ZnO 나노와이어를 성장시켰으며 성장거동에 영향을 미치는 여러 가지 공정변수들을 조사하였다. 실험 결과로부터 ZnO 나노와이어는 기판의 온도와 촉매의 표면 거칠기에 의해 그 형상이 좌우되고 있음을 확인하였다. ZnO나노와이어 구조체를 고효율 에너지변환소자에 적용하기 위해서는 고품질의 ZnO나노와이어가 필요하며 다양한 실험을 통하여 최적화된 ZnO 나노와이어의 성장조건을 확보하였다. ZnO 나노와이어 구조체의 형상 및 밀도를 자유롭게 제어할 수 있는 두 가지 새로운 공정방법으로 금속 나노입자와 seed layer의 전처리 공정을 이용하여 ZnO 나노와이어의 형성을 자유롭게 제어 할 수 있는 혁신적인 방법을 제시하였다. 첫째, ZnO nanowires의 밀도를 제어할 수 있는 새로운 방법으로서 금속 나노입자를 이용하여 ZnO 나노와이어의 핵생성을 억제할 수 있는 masking 방법을 연구하였다. 기판 위에 sputtering된 AZO seed layer는 많은 결함을 포함하고 있으며 ZnO 나노와이어의 성장 초기단계에서 핵생성 자리로서 역할을 하고 있다. 본 연구에서는 용액 속에 녹아 있는 Zn 양이온들이 AZO seed layer 표면에 존재하는 핵생성 자리에서 OH 음이온과 결합하여 ZnO로 석출되는 과정을 인위적으로 조절하고자 하였다. 은 나노입자과 구리 나노입자는 ZnO 나노와이어의 성장을 억제하는 masking 역할을 하고 있는 것을 확인하였으며 금속 나노입자를 AZO seed layer위에 균일하게 배열될 수 있도록 조절이 가능하다면, 저렴한 비용으로 대면적 기판상에서 성장하는 ZnO 나노와이어의 밀도를 제어할 수 있는 획기적인 기술이 될 것으로 기대된다. 둘째, 플라즈마 전처리 공정을 이용하여 ZnO 나노와이어의 밀도를 제어하였다. 용액 내에서 ZnO 나노와이어를 성장시키긴 전에 AZO seed layer를 대기압 플라즈마를 이용하여 친수성과 소수성을 부여하였으며 전처리 결과 표면 접촉각이 크게 변하는 것을 관찰하였고 기판의 표면에너지에 따라 ZnO 나노와이어의 굵기와 밀도 제어가 가능함을 확인하였다. 또한, 용액 제조 시 ammonium chloride를 첨가하여 precursor의 공급 없이도 100:1 이상의 고종횡비를 갖는 ZnO 나노와이어를 성장시킬 수 있었다. 그 결과, 고품질 고종횡비를 갖는 단결정 ZnO 나노와이어를 성장시킬 수 있었으며 응용소자로서 전류밀도가 ~1.6 μA/cm2 를 갖는 나노 발전기를 제작하고 성능을 평가하였다.
more목차
1. Introduction
1.1 Overview - 2
1.2 Outline of Dissertation - 10
2. Theoretical Background
2.1. Fundamentals of Zinc oxide nanowires -13
2.1.1 Zinc oxide nanowire - 13
2.1.2 Hydrothermal synthesis of ZnO nanowires- 19
2.2. ZnO Nanowire Nanogenerator - 25
2.2.1 Piezoelectric nanogenerators -25
2.2.2. Piezoelectric potential and charge generation - 29
3. Experimental Procedure
3.1. Fabrication of Zinc Oxide Nanowires - 42
3.1.1 Synthesis method - 42
3.1.2 Surface modification by plasma treatment - 46
3.2. . Microstructural Characterization - 48
3.3. Fabrication of Energy Harvester - 49
4. Results and Discussion
4.1 Effects of Process Parameters on ZnO Nanowire Growth - 52
4.1.1 The role of seed layers - 53
4.1.2 The effect of solution temperature on ZNW growth - 61
4.1.3 Characterization of morphological and physical properties - 66
4.2 Morphology Control of ZNW arrays - 77
4.2.1 Morphology control of ZNW arrays by metal nano dots - 78
4.2.2 Morphology control of ZNW arrays by surface treatment - 110
4.3 Enhancement of hydrothermal synthesis for energy harvester - 120
5. Conclusions- 127
References- 134
Abstract (in Korean) - 141
