Shape transition of ZnO thin films into nanowires: a growth and characterization study
Creators: name: Καζιάνης, Λεωνίδας Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ανάπτυξη ZnO
Εφαρμογές ZnO
Μετάβαση σχήματος ZnO
ZnO annealing
Shape transition ZnO
Growth parameters

description: The goal of master thesis was the shape transition of ZnO thin films into nanowires (NWs). Particularly, in laboratory, we dealt specifically with the growth and characterization of ZnO NWs and our main objective was to study the transition from two-dimensional state of thin films to one-dimensional state of NWs. We focused our study on the growth of NWs, because they present significant new quantum phenomena, like as large free surface, while at the same time we conserve material. Therefore, a major trend is observed by the scientific community for the nanoscale research. The theoretical part of the thesis attempts to introduce the notions of the nanoscale and nanostructures and ZnO NWs, which we are about to study later. Additionally, we refer to the basic properties of the ZnO material with which we work throughout the experiments, such as its hexagonal structure, its semiconductor nature and its piezoelectric properties. Then, we refer to the various development methods and focus more on the CBD (Chemical Bath Deposition) process we used in the laboratory to growth our samples. The simplicity, repeatability and low cost of CBD made it an attractive process to growth samples at research level, but we possibly could use CBD on industrial scale, in the future. In conclusion, we studied the growth of ZnO NWs with the CBD process, because state of the art investigates the fabrication into LED, photovoltaic and sensor applications with based material ZnO. In the experimental part, our reference point was the original study by Sophie Guillemin, who demonstrated the development of ZnO NWs with simple annealing. Our role in the laboratory was to study the parameters that determine how ZnO NWs grown after annealing in an oven under the atmosphere of argon. However, our experimental work is divided into two parts, in the first one we tried to find the parameters which have a stronger influence on growth, while in the second part we focused our attempt on these parameters, with a view to exporting data which will lead us in probable scenario shape transition to ZnO NWs. Sample characterization was mainly done with SEM (Scanning Electron Microscopy), and XRD (X-Ray Diffraction) was used at the beginning of the first portion of the experiments to confirm the presence of ZnO material in our samples. The images given to us by SEM were used to measure the height and diameter of the NWs and pyramids created during the development to find the average. Moreover, we drew graphs for each sample in each of the development conditions and we used an indicative picture for each case. One of the most important observations resulting from the SEM images is the different density and uniformity of NWs, depending on the observation distance from the edge of the sample. The analysis of the experimental data led us to the conclusion that parameters affecting the growth of ZnO NWs are the location of samples in argon tubular oven, the process of purifying the substrates, the concentration of the solution used in the CBD process, the annealing time as well as the annealing temperature. Also, we have managed to come up with a possible way of shape transition ZnO NWS. Additionally, we confirmed the work Sophie’s Gillemin and we achieved to gather a sufficient number of new experimental results for the creation of a theoretical model of the development of ZnO NWs. Consequently, in the future, further investigation of the shape transition of ZnO NWs will enable us to find the ideal conditions for the growth of desirable NWs that will have the necessary properties for each application.
description: Η διπλωματική εργασία πραγματεύεται την σχηματική μετάβαση των ZnO λεπτών υμενίων σε νανοσύρματα (NWs). Συγκεκριμένα, στο εργαστήριο ασχοληθήκαμε ιδιαίτερα με την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό των ZnO νανοσυρμάτων και βασικός μας στόχος ήταν η μελέτη της μετάβασης από την διδιάστατη κατάσταση των λεπτών υμενίων στην μονοδιάστατη κατάσταση των νανοσυρμάτων. Εστιάζουμε τη μελέτη μας στη ανάπτυξη των νανοσυρμάτων, διότι εμφανίζουν σημαντικά νέα κβαντικά φαινόμενα, δηλαδή μεγάλη ελεύθερη επιφάνεια, ενώ ταυτόχρονα γίνεται εξοικονόμηση υλικού κατασκευής. Συνεπώς, μια μεγάλη τάση παρατηρείται από την επιστημονική κοινότητα για την έρευνα των νανοσυρμάτων. Στο θεωρητικό μέρος της εργασίας επιχειρείται μια εισαγωγή στις έννοιες της νανοκλίμακας και ειδικότερα στις νανοδομές και τα νανοσύρματα από ZnO τα οποία καλούμαστε να μελετήσουμε στη συνέχεια. Ακόμη, αναφερόμαστε στις βασικές ιδιότητες του υλικού ZnO με το οποίο δουλέψαμε σε όλη τη διάρκεια των πειραμάτων, όπως είναι η εξαγωνική δομή του, η ημιαγωγική του φύση και οι πιεζοηλεκτρικές του ιδιότητες. Έπειτα, αναφερόμαστε στη διάφορες μεθόδους ανάπτυξης και εστιάζοντας περισσότερο στην CBD(Chemical Bath Deposition) διαδικασία την οποία χρησιμοποιήσαμε στο εργαστήριο για την ανάπτυξη των δειγμάτων μας. Η απλότητα, η επαναληψιμότητα και το χαμηλό κόστος της CBD είναι ο λόγος ο οποίος την καθιστά ιδιαιτέρως ελκυστική για την ανάπτυξη δειγμάτων σε ερευνητκό επίπεδο, αλλά και τη χρήση της σε βιομηχανική κλίμακα στο μέλλον. Εν κατακλείδι, μελετήσαμε την ανάπτυξη ZnO νανοσυρμάτων με την CBD διαδικασία, διότι ερευνάται η κατασκευή εφαρμογών LED, φωτοβολταΐκών και αισθητήρων με βάση ZnO νανοσύρματα. Στο πειραματικό μέρος, ενβαθύναμε στην αρχική έρευνα της Sophie Guillemin η οποία απέδειξε την ανάπτυξη των ZnO νανοσυρμάτων με μια απλή ανόπτηση. Ο ρόλος μας στο εργαστήριο ήταν η μελέτη των παραμέτρων οι οποίες καθορίζουν τον τρόπο ανάπτυξης των ZnO νανοσυρμάτων, ύστερα από ανόπτηση σε φούρνο υπό την ατμόσφαιρα αργού. Η πειραματική μας δουλειά χωρίζεται σε δύο μέρη, στο πρώτο προσπαθήσαμε να βρούμε τις παραμέτρους οι οποίες επηρεάζουν ισχυρότερα την ανάπτυξη, ενώ στο δεύτερο εστιάσαμε στις παραμέτρους αυτές με σκοπό να εξάγουμε δεδομένα τα οποία θα μας οδηγήσουν σε ένα πιθανότερο σενάριο μετάβασης του σχήματος των ZnO νανοσυρμάτων από λεπτά υμένια σε νανοσύρματα. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων επετεύχθει κυρίως με το SEM (Scanning Electron Microscopy), ενώ στην αρχή του πρώτου μέρους των πειραμάτων χρησιμοποιήσαμε και XRD (X – Ray Diffraction) χαρακτηρισμό, ώστε να επιβεβαιώσουμε την παρουσία του υλικού ZnO στα δείγματά μας. Οι εικόνες που μας έδωσε το SEM χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση του ύψους και της διαμέτρου των νανοσυρμάτων και των πυραμίδων που δημιούργήθηκαν κατά την ανάπτυξη, ώστε να βρούμε το μέσο όρο. Στη συνέχεια, σχεδιάσαμε αντίστοιχα, τις γραφικές παραστάσεις για το κάθε δείγμα στις εκάστοτε συνθήκες ανάπτυξης και χρησιμοποιήσαμε μια ενδεικτική εικόνα για την κάθε περίπτωση. Μια από τις βασικότερες παρατηρήσεις που προκύπτουν από τις εικόνες του SEM είναι η διαφορετικής πυκνότητας και ομοιομορφίας νανοσύρματα, αναλόγως με την απόσταση παρατήρησης από την άκρη του δείγματος. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων μας οδήγησε στο συμπέρασμα πως οι παράμετροι που επηρεάζουν την ανάπτυξη των ZnO νανοσυρμάτων είναι η θέση των δειγμάτων στο φούρνο αργού, η διαδικασία καθαρισμού των υποστρωμάτων, η συγκέντρωση του διαλύματος που χρησιμοποιείται κατά την CBD διαδικασία, ο χρόνος ανόπτησης καθώς και η θερμοκρασία ανόπτησης. Ακόμη, καταφέραμε να καταλήξουμε σε ένα πιθανό τρόπο μετάβασης του σχήματος των ZnO νανοσυρμάτων. Επιπλέον, επιβεβαιώσαμε την εργασία της Sophie Gillemin και καταφέραμε να συλλέξουμε ένα ικανοποιητικό πλήθος νέων πειραματικών αποτελεσμάτων για την δημιουργία ενός θεωρητικού μοντέλου ανάπτυξης των ZnO νανοσυρμάτων. Συνεπώς, στο μέλλον η περαιτέρω ενασχόληση με την σχηματική μετάβαση των ZnO νανοσυρμάτων θα μας δώσει την δυνατότητα να βρούμε τις ιδανικές συνθήκες για την ανάπτυξη επιθυμητών νανοσυρμάτων που θα έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες για την εκάστοτε εφαρμογή.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)