Nanospears ZnO Doped Al: Pertumbuhan Hidrotermal, Mikrostruktur, dan Fotoluminesensi Bergantung Suhu
Abstrak
Nanospears ZnO doped Al (AZO) disintesis dengan rute hidrotermal pada substrat kaca yang di-seed ZnO. Difraksi sinar-X mengonfirmasi jaring wurtzite heksagonal dengan orientasi (002) yang kuat, sementara mikroskopi elektron pemindai menunjukkan struktur jarum yang sangat rata dan rata dengan ujung halus. Peningkatan konsentrasi Al memendekkan nanospears, tren yang tercermin dalam intensitas puncak XRD karena perubahan pH selama pertumbuhan. Fotoluminesensi (PL) pada suhu ruang mengungkapkan emisi tepi band dekat (NBE) pada ~3,16 eV dan emisi ungu (VE) pada ~2,91 eV yang semakin kuat seiring kandungan Al, sedangkan emisi level dalam (DLE) sebagian besar tidak terpengaruh. PL bergantung suhu hingga 10 K mengungkap puncak eksiton tambahan pada ~3,31 eV dan struktur halus di bawah 57 K; emisi NBE padam di atas 267 K, yang menunjukkan penurunan termal yang diarus oleh defek.
Latar Belakang
Nanostruktur satu dimensi ZnO sangat penting untuk optoelektronika generasi berikutnya karena bandgap yang luas (3,37 eV) dan energi ikatan eksiton yang tinggi (60 meV). Doping dengan elemen grup III (B, Al, Ga, In) memperkenalkan donor dangkal, yang memungkinkan konduktivitas tipe-n dan transparansi yang ditingkatkan. Di antaranya, Al digemari karena jari-jari ionnya yang kecil, biaya rendah, dan kemampuan untuk memodulasi properti optik dan elektronik. Meskipun sintesis hidrotermal menawarkan produksi skalabel suhu rendah, sebagian besar studi berfokus pada morfologi dan perilaku listrik; PL bergantung suhu dari nanospears AZO masih kurang dieksplorasi.
Metode
Persiapan Sampel
Substrat kaca dilapisi dengan lapisan seed ZnO melalui proses sol-gel (asetat zink, etilena glikol, mono-etanolamina). Setelah spin-coating dan aneling pada 500 °C, substrat yang di-seed direndam dalam autoklaf dilapisi Teflon yang mengandung nitrat zink, nitrat aluminium (0–0,12 M), heksametilentetramina, dan amonia air (pH ≈ 10). Pertumbuhan hidrotermal berlangsung pada 368 K selama 1 jam, menghasilkan nanospears dengan panjang yang menurun dari 1370 nm (0 M) hingga 740 nm (0,12 M).
Karakterisasi
Struktur kristal dan morfologi diperiksa dengan XRD (MXP18AHF) dan FE-SEM (S-4800). Panjang diukur dengan profil permukaan (XP-1). Komposisi elemen ditentukan dengan XPS (ESCALAB 250). Spektra PL direkam dengan spektrograf Horiba Jobin Yvon iHR320, diangsinkan oleh laser He-Cd 325 nm, pada rentang 10–297 K.
Hasil dan Pembahasan
Mikrostruktur dan Morfologi
Pola XRD mengonfirmasi struktur wurtzite satu fasa dengan pertumbuhan preferensial (002); intensitas puncak menurun seiring kandungan Al yang lebih tinggi, yang disebabkan oleh pH yang berkurang (10,16 → 9,60) yang menghambat kristalisasi ZnO. Gambar SEM (Gambar 3) menunjukkan nanospears berbentuk jarum heksagonal (~100 nm diameter) dengan ujung tajam; doping Al memendekkan panjang rata-rata secara proporsional dengan konsentrasi dopan, sesuai dengan tren XRD.
Pola XRD nanospears AZOPanjang rata-rata nanospears AZOGambar SEM nanospears ZnO 0 M dan AZO 0,08 M: (a) tampilan atas, (b) tampilan sisi 0 M ZnO, (c) tampilan atas, (d) tampilan sisi 0,08 M AZO
Komposisi
XPS mengonfirmasi integrasi Al ke dalam jaring ZnO. Untuk AZO 0,12 M, puncak Al 2p pada 73,9 eV menunjukkan ikatan Al–O; spektrum O 1s menunjukkan puncak pada 530,28, 531,41, dan 532,26 eV, yang masing-masing disebabkan oleh O–Zn, O–Al, dan C–O. Kandungan Al sekitar 1,29 % di permukaan, sementara rasio Zn/O tetap dekat stoikiometri.
Spektra XPS nanospears AZO 0,12 M: (a) survei, (b) Zn 2p, (c) O 1s, (d) Al 2p
Properti Fotoluminesensi
PL suhu ruang (Gambar 5) menunjukkan dua puncak dominan: VE (~2,91 eV) dan NBE (~3,16 eV) yang semakin kuat seiring kandungan Al, sementara DLE (~2,2–2,4 eV) tetap tidak berubah. Pencocokan puncak (Gambar 6) mengungkapkan bahwa ZnO tanpa doping tidak memiliki komponen VE, yang mengindikasikan bahwa Al memperkenalkan level donor dangkal yang bertanggung jawab atas VE. Pergeseran NBE konsisten dengan rekombinasi pasangan donor-penerima yang ditingkatkan oleh konsentrasi donor yang meningkat.
Spektra PL suhu ruang nanospears AZO. Spektra paling bawah adalah referensi ZnO tanpa doping.Pencocokan puncak spektrum PL: (a) 0 M ZnO, (b) 0,04 M AZO, (c) 0,08 M AZO, (d) 0,12 M AZO
PL bergantung suhu (Gambar 7) menunjukkan bahwa puncak VE dan NBE sebagian besar tidak bergantung suhu, sementara intensitas DLE menurun cepat seiring peningkatan suhu, yang mencerminkan aktivasi jalur non-radiasi. Di bawah 57 K, NBE menunjukkan struktur halus: puncak pada 3,33 eV (eksiton terikat donor) dan puncak yang lebih lemah pada 3,37 eV (eksiton bebas). Fitur-fitur ini hilang di atas 267 K, yang menunjukkan pencitraan eksiton yang diarus oleh defek dan penurunan termal.
Spektra PL bergantung suhu nanospears AZO 0,08 M.Pencocokan puncak spektrum PL nanospears AZO 0,08 M pada (a) 10 K, (b) 117 K, (c) 207 K, (d) 267 K.
Kesimpulan
Sintesis hidrotermal menghasilkan nanospears ZnO doped Al yang tumbuh sepanjang sumbu c dengan ujung tajam. Integrasi Al memendekkan nanospears dan memperkenalkan pita VE yang, bersama dengan emisi NBE, bertumpu pada level dopan. DLE masih sensitif terhadap suhu, sementara puncak eksiton NBE menunjukkan struktur halus pada suhu rendah dan padam di atas 267 K karena pencitraan eksiton yang diarus oleh defek. Temuan ini menjelaskan peran Al dan suhu terhadap perilaku optik nanostruktur ZnO, yang memberikan informasi untuk desain perangkat optoelektronik di masa depan.
