Synthesis and photoluminescence study of ZnO nanowires/nanorods

Abstract

Os nanofios/nanobastões de ZnO foram sintetizados por evaporação térmica em substratos de alumina (Al2O3) e silício (Si). A morfologia, estrutura cristalina e propriedades ópticas dos nanofios/nanobastões foram caracterizadas por microscopia electrónica de varrimento (SEM), difracção de raios-X (XRD), e fotoluminescência em modo de excitação (PLE) e emissão (PL). Através das imagens de SEM é possível concluir que as morfologias dos nanofios/nanobastões dependem de parâmetros de síntese, tais como, temperatura, substrato e velocidade de fluxo de gases de O2 e N2. A nucleação e o crescimento dos nanofios/nanobastões são, também, discutidos com base no mecanismo de crescimento vapor-sólido. Os resultados de XRD mostram que os nanofios/nanobastões apresentam a fase wurzite hexagonal do ZnO. O espectro de PL, à temperatura ambiente, mostra duas bandas, nomeadamente, uma componente mais intensa na região espectral do verde e uma banda de menor intensidade relativa na zona do ultravioleta. Os espectros de fotoluminescência dos nanofios no substrato de Si foram analisados em detalhe a 12 K, mostrando diferentes componentes, tais como excitões ligados a dadores, pares aceitador-dador, réplicas de fonões de óptica longitudinal emissão associada a defeitos. Não foram identificadas transições de excitões livres, o que indica que os nanofios apresentam vários tipos de defeitos.

Z nO nanowires/nanorods have been synthesised by thermal evaporation on alumina (Al2O3) and silicon (Si) substrates. The morphology, crystal structure and optical properties of the as-grown nanowires/nanorods have been characterised by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and photoluminescence in excitation (PLE) and emission (PL) modes. The SEM images reveal that the morphologies of the nanowires/nanorods are very sensitive to the synthesis parameters such as temperature, substrate and flow rate of O2 and N2 gases. The nucleation and growth behaviour of the nanowires/nanorods are also discussed on the basis of vapour-solid growth mechanism. The XRD results show that the nanowires/nanorods have hexagonal wurtzite phase of bulk ZnO. The room temperature PL spectra consist of two emission bands, namely a dominant green luminescent band and a lower relative intensity band in the ultraviolet spectral region. The photoluminescence features of the nanowires on Si substrate have been analysed at 12 K. Different transition lines such as bound exciton, donor-acceptor pair, longitudinal optical phonon replicas and defect-related emissions have been observed. There is no clear observation of free exciton transition lines, indicating that the nanowires consist of several defects.