Growth, structural and optical characterization of ZnO nanowires

Abstract

Nanofios de ZnO foram crescidos por evaporação térmica na presença de um fluzo de oxigénio em substratos de alumina. O crescimento foi efectuado à pressão ambiente e sem a utilização de catalisadores externos. Identificou-se que o gradiente de temperatura entre o material de base e o substrato constitui o factor determinante no rendimento e tamanho dos nanofios. A utilização de microscopia electrónica de varrimento (SEM) revelou que as amostras, sujeitas a esta metodologia de crescimento, consistem em ZnO em volume que cresceu em cima da superfície do substrato a partir do qual crescem nanofios. A partir da morfologia observada sugere-se que o mecanismo de crescimento seja governado pela variação da super saturação do vapor de zinco durante o processo de crescimento. Foram realizadas medidas de difracção de raios-X (XRD) de modo a identificar a fase cristalina dos nanofios. A investigação das propriedades ópticas das amostras foi efectuada utilizando espectroscopia de Raman e fotoluminescência. Em dispersão Raman o aparecimento do modo E2 (high) permitiu confirmar a cristalinidade dos nanofios com fase wurtzite hexagonal. Sob excitação banda a banda, o espectro de fotoluminescência registado a baixas temperaturas permitiu identificar que a recombinação óptica é dominada por excitões ligados a dadores ~ 3.37 eV. Foi também observada a emissão de excitões livres, emissão esta que é detectada até à temperatura ambiente. A observação das emissões excitónicas e a fraca intensidade das emissões relacionadas com defeitos profundos atestam a elevada qualidade óptica dos nanofios crescidos por esta metodologia.

ABSTRACT: Zinc oxide nanowires have been grown on alumina substrate by thermal evaporation of zinc powder in the presence of oxygen flow. The growth was performed at ambient pressure and without the use of foreign catalyst. Temperature gradient between the source material and substrate, in the favourable growth temperature region, was identified as key factor determining the yield and size of the nanowires. Scanning electron microscopy (SEM) observation showed that the as-grown sample consists of bulk ZnO crystal on the substrate surface with nanowires growing from this base. Growth mechanism of the observed morphology is suggested to be governed by the change of zinc vapour supersaturation during the growth process. X-ray diffraction (XRD) measurement was used to identify the hexagonal crystalline phase of the nanowires. Optical properties of the nanowires were investigated using Raman scattering and photoluminescence (PL). The appearance of dominant, Raman active E2 (high) phonon mode in the Raman spectrum has confirmed the good cristallinity with wurtzite hexagonal phase of the nanowires. With above bandgap excitation the low temperature PL recombination is dominated by sharp donor bound exciton luminescence at ~3.37 eV. Free exciton emission is also seen at low temperature and can be observed up to room temperature. The optical data indicates that the grown nanowires have high optical quality.