Dampak Hidroksida Amonium pada Sifat Optik Nanowires ZnO yang Tumbuh Secara Hidrotermal: Investigasi Fotoluminescens

Abstrak

Kami menyelidiki peran hidroksida amonium (NH₄OH) sebagai aditif pertumbuhan dalam sintesis hidrotermal nanowires (NW) ZnO pada substrat Au bebas benih. Dengan secara sistematis mengubah konsentrasi NH₄OH (0–50 mM), kami mencapai perubahan lebih dari dua orde magnitudo dalam densitas NW. Studi fotoluminescensi (PL) pada suhu ruang mengungkapkan bahwa level NH₄OH yang lebih tinggi memperkenalkan cakmak permukaan tambahan, mengurangi rasio emisi UV-ke-hijau (I_UV/I_G). Temuan ini menekankan pengaruh krusial kimia pertumbuhan terhadap respons optik yang diinduksi cakmak ZnO NW, yang penting untuk menyesuaikan bahan dalam perangkat elektronik dan optoelektronik generasi mendatang.

Latar Belakang

Sintesis bottom-up telah menjadi sumbullah untuk memproduksi nanomaterial berkinerja tinggi yang mendasari teknologi elektronik dan optoelektronik modern. Fokus yang baru pada ZnO mengikuti kemampuannya yang terbentuk untuk membentuk nanostructur kristal tunggal—seperti nanobelt dan nanowire—dengan properti elektronik yang unggul. Nanostruktur satu dimensi (1D) ini telah digunakan dalam transistor efek lapangan, nanogenerator, sensor, dan teknologi layar, berkat rasio permukaan-ke-volume yang unik dan perilaku optoelektronik yang dikontrol cakmak. Cakmak adalah pedang bermata dua dalam ZnO: mereka dapat meningkatkan performa sensor UV dengan menangkap carrier dan memperluas lapisan depleksi permukaan, namun cakmak berlebihan merusak efisiensi nanogenerator. Oleh karena itu, kontrol yang tepat atas stoikiometri dan populasi cakmak adalah hal yang sangat penting. Pertumbuhan hidrotermal menawarkan jalur rendah suhu dan dapat diskalakan untuk ZnO NW bebas benih pada berbagai substrat, termasuk plastik dan tekstil. Proses biasanya menghasilkan ZnO wurtzite kristal tunggal, namun pita PL yang terkait cakmak—yang menyusupi emisi biru, hijau, dan oranger—tetapi sensitif terhadap kondisi pertumbuhan dan tetap menjadi subjek penelitian aktif. Meskipun NH₄OH telah digunakan untuk memodulasi nukleasi pada permukaan Au, efeknya terhadap respons optik ZnO NW yang dihasilkan belum pernah dikuatifikasi secara menyeluruh. Dalam karya ini, kami secara sistematis mengubah konsentrasi NH₄OH selama pertumbuhan hidrotermal dan menggunakan spektroskopi PL untuk membongkar pengaruhnya terhadap emisi yang terkait cakmak dan respons tepi band UV.

Metode

ZnO NW disintesis pada wafer Si (100) berukuran 2 × 2 cm². Wafer melalui pembersihan piranha selama 10 menit (1:1 H₂SO₄/H₂O₂), celupan HF selama 2 menit (50 %) untuk menghapus oksida alami, dan cuci air deion, diikuti oleh pengeringan N₂ dan pemanasan 200 °C. Film Au tebal 200 nm disputter pada suhu ruang, dengan lapisan lekat Ti tebal 100 nm di bawahnya. Prekursor hidrotermal terdiri dari rasio mol 1:1 nitrat sinkon heksahidrat dan heksametilentetramin. Substrat ditempatkan dengan wajah ke bawah dalam cangkir Teflon yang diopak dalam autoklaf stainless steel dan dipanaskan pada 85 °C selama 15 jam. Setelah pendingin, sampel dicuci dengan air deion dan dikeringkan dalam N₂. NH₄OH ditambahkan pada konsentrasi yang bervariasi dari 0 hingga 50 mM. Morfologi diperiksa oleh SEM Hitachi S-4150. Fotoluminescensi diukur pada suhu ruang menggunakan laser He–Cd 325 nm (1,5 mW) yang dimodulasi pada 55 Hz. Detail instrumen PL dijelaskan dalam Ref. 33.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a–f mengilustrasikan evolusi morfologi ZnO NW dengan konsentrasi NH₄OH yang meningkat. Peningkatan lebih dari dua orde magnitudo dalam densitas tercapai saat konsentrasi naik hingga 40 mM, di mana kejenuhan terjadi. Mekanisme pertumbuhan bergantung pada kemampuan NH₄OH untuk kompleks Zn²⁺, mengmodulasi supersaturasi dan densitas nukleasi. Gambar 1g memplot densitas dan rasio aspek (L/d) versus NH₄OH. Keduanya naik tajam hingga ~40 mM, di mana mereka melembung. Spektroskopi Raman mengonfirmasi struktur kristal wurtzite di seluruh sampel. Gambar 2a menyajikan spektrum PL suhu ruang. Dua fitur dominan muncul: puncak UV tepi band dekat (NBE) pada 3,24 eV dan pita cakmak hijau yang lebar pada 2,23 eV. Dekomposisi Gaussian mengungkapkan kontribusi cakmak biru, hijau, dan oranger; komponen hijau mendominasi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b untuk sampel 40 mM. Rasio intensitas UV-ke-hijau (I_UV/I_G)—metrik kunci untuk kualitas optik—berkurang secara progresif di atas 20 mM NH₄OH, menurun tiga kali pada 40 mM relatif terhadap sampel asli (Gambar 2c, Tabel 2). Dua pengemang yang mungkin adalah: (i) rasio aspek yang meningkat, yang memperkuat densitas cakmak permukaan, dan (ii) kekasaritas yang lebih tinggi dari medium pertumbuhan, yang dapat mengikis permukaan NW dan menghasilkan cakmak titik tambahan. Untuk mengisolasi efek kekasaritas, kami melakukan perawatan NH₄OH pasca-pertumbuhan pada NW asli (Tabel 3). Gambar SEM (Gambar 3) menunjukkan permukaan yang semakin kasar dan akhirnya patahnya NW pada ≥100 mM, yang menunjukkan pengikisan. Spektra PL yang sesuai (Gambar 4a) mengungkapkan penurunan stabil dalam intensitas UV sementara pita cakmak tetap pada energi yang sama, mengonfirmasi bahwa tidak ada level cakmak baru yang diperkenalkan tetapi NW yang ada sebagian dihapus. Rasio I_UV/I_G (Gambar 4b) berkurang tajam dengan konsentrasi perawatan, mencerminkan tren yang diamati selama pertumbuhan. Hasil ini memvalidasi hipotesis bahwa kekasaritas yang diinduksi oleh NH₄OH meningkatkan densitas cakmak titik dan menurunkan kinerja optik.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan metode hidrotermal bebas benih yang dapat diskalakan untuk menumbuhi ZnO NW pada substrat Au, dengan NH₄OH memungkinkan densitas NW yang dapat disesuaikan lebih dari dua orde magnitudo. Analisis PL mengungkapkan bahwa penambahan NH₄OH meningkatkan densitas cakmak permukaan, secara signifikan mengurangi rasio I_UV/I_G di atas 20 mM. Perawatan larutan dasar pasca-pertumbuhan lebih lanjut mengonfirmasi bahwa kekasaritas yang lebih tinggi mengikis NW dan meningkatkan level cakmak titik. Wawasan ini memberikan jalan praktis untuk merancang properti optik ZnO NW secara langsung pada elektroda logam, memajukan integrasinya ke dalam perangkat elektronik dan optoelektronik berkinerja tinggi.