Nanorod ZnO Dotasi Fosfor Hidrotermal: Karakterisasi Struktural, Listrik, dan Optik untuk Perangkat Optoelektronik

Abstrak

Kami melaporkan sintesis hidrotermal yang berhasil dari nanorod ZnO dotasi fosfor dan secara sistematis menyelidiki bagaimana konsentrasi dopan mengubah struktur kristal, morfologi, perilaku listrik, dan fotoluminesensi (PL) di seluruh rentang ultraviolet (UV), visible, dan inframerah dekat (NIR). Difraksi sinar X (XRD) mengungkapkan bahwa peningkatan konsentrasi ammonium dihydrogen fosfat (NH4H2PO4) memperbesar diameter dan panjang nanorod, mengonfirmasi penyerapan fosfor yang efektif. Pengukuran efek Hall menunjukkan transisi dari perilaku n-type intrinsik ke p-type sekitar 0,3 % NH4H2PO4, yang mengilustrasikan sifat amfoterek fosfor dalam ZnO. Spektra PL menunjukkan emisi tepi dekat band (NBE) yang geser merah yang disebabkan oleh transisi pasangan donor-akseptor (DAP), sementara emisi level dalam (visible dan NIR) tetap sebagian besar tidak berubah. Temuan ini mendirikan nanorod ZnO dotasi fosfor sebagai platform pelanggar cahaya serbaguna untuk perangkat optoelektronik UV hingga NIR.

Pendahuluan

Oksida seng (ZnO) adalah semiconductor celas lebar yang dihargai karena properti listrik dan optik yang dapat disetel, menjadikannya tonggak untuk LED, laser, dan fotodetektor.1–11 Perilaku n-type intrinsiknya, namun, membatasi realisasi homojungsi ZnO yang memerlukan bahan p-type.12–14 Upaya terbaru untuk memperkenalkan konduktivitas p-type telah mengeksplorasi dopan seperti antimoni, arsena, nitrogen, dan fosfor, namun banyak yang menderita akseptor level dalam, kelarutan rendah, dan ketidakstabilan.15–18 Fosfor telah muncul sebagai kandidat yang menjanjikan: aktivasi termal melalui aneling cepat dapat menstabilkan ZnO p-type, dan studi jangka panjang melaporkan stabilitas selama 16 bulan.19–21 Selain itu, penyerapan fosfor sering mengaktifkan PL rentang visible yang terkait dengan cacat rongga oksigen.22–24 Namun, studi komprehensif yang menghubungkan perilaku struktural, listrik, dan optik multi-rentang masih jarang. Karya ini menjawab kesenjangan itu dengan dotasi hidrotermal nanorod ZnO dengan level fosfor yang terkontrol, menilai kualitas kristal, tipe pembawa, dan emisi di seluruh panjang gelombang UV, visible, dan NIR.

Metode

Persiapan Lapisan Benih

Film AZO (~100 nm) di-depoosikan pada kuarsa bersih melalui penyemprotan RF dari target 2 % Al2O3/ZnO (Gambar 1a). Substrat diultrasonik dalam aseton dan alkohol isopropil, kemudian dikeringkan dengan nitrogen. Penyemprotan berlangsung selama 40 menit pada daya RF 90 W dan aliran Ar 60 SCCM. AZO menawarkan konduktivitas dan transparansi yang lebih tinggi dibandingkan ZnO murni, menyediakan templat yang ideal untuk pertumbuhan nanorod vertikal.

Pertumbuhan Nanorod ZnO

Nanorod tidak dotasi disintesis dari 0,06 M zink nitrate heksahidrat dan 0,06 M heksametilentetramin (HMTA) yang diaduk selama 2 jam. Dotasi fosfor dicapai dengan menambahkan NH4H2PO4 pada rasio molar 0–1 % relatif terhadap zink nitrate (0 %, 0,05 %, 0,1 %, 0,2 %, 0,5 %, 1 %). Kuarsa terlapisi AZO direndam dalam larutan ini dan dipelihara pada 90 °C selama 10 jam (Gambar 1b). Setelah dicuci dengan air deionis dan dikeringkan dengan nitrogen, nanorod ZnO yang selaras vertikal diperoleh (Gambar 1c).

Karakterisasi

Mikroskopi elektron pemindai (SEM) menilai morfologi permukaan. Difraksi bubuk XRD memeriksa perubahan kristal. Pengukuran efek Hall (medan magnet 0,5 T) mengevaluasi tipe konduktivitas, konsentrasi pembawa, dan mobilitas. PL suhu ruang menggunakan laser pulsed Nd:YAG 266 nm (150 mW). Spektra refleksi difusi dikumpulkan untuk menentukan celas melalui analisis Kubelka–Munk (KM) dan Tauc.

Hasil dan Pembahasan

Evolusi Struktural

Pola XRD (Gambar 1d) menunjukkan puncak ZnO khas pada 34,36°, 44,27°, 62,80°, dan 72,45° untuk bidang (002), (111), (103), dan (004). Puncak (002) tetap pada sudut yang sama di seluruh level dotasi, namun intensitas terintegrasinya berkurang seiring meningkatnya NH4H2PO4 (Gambar 1e), yang menunjukkan kristalinitas yang berkurang atau ketidaksejajaran. Pada dotasi 1 %, puncak tambahan (100), (101), dan (102) muncul, mengonfirmasi modifikasi struktural yang signifikan. Lebar setengah maksimum (≈0,25°) tetap tidak berubah, yang menunjukkan bahwa lenturan jaringan minimal.

Morfologi

Citra SEM (Gambar 2a–f) mengungkapkan nanorod heksagonal seragam yang diameternya tumbuh dari ~60 nm (tidak dotasi) hingga ~145 nm (dotasi 1 %), sementara panjangnya meningkat dari 1,35 µm hingga 2,5 µm (Gambar 3a,b). Tren ini mencapai platye di atas 0,1 % NH4H2PO4, konsisten dengan batas kelarutan fosfor dalam ZnO. Mekanisme pertumbuhan melibatkan Zn2+ dan OH– bereaksi untuk membentuk ZnO, sementara ion fosfat bersaing dengan Zn2+ untuk situs jaringan, membentuk endapan Zn3(PO4)2 yang menekan penyerapan fosfor berlebihan.

Properti Listrik

Data efek Hall (Gambar 3c–e) menunjukkan konsentrasi pembawa negatif hingga dotasi 0,2 % (n-type) dan nilai positif di atas 0,3 % (p-type), yang mencerminkan perilaku amfoterek fosfor. Pada dotasi 0,5 %, konsentrasi pembawa mencapai puncak (~7,8 × 10^15 cm⁻²) sebelum turun tajam menjadi 1,67 × 10^9 cm⁻² pada 1 % karena kompensasi diri saat fosfor melebihi batas kelarutan. Koefisien Hall (Gambar 3d) dan mobilitas (Gambar 3e) mengikuti tren yang sama, mengonfirmasi transisi konduktivitas.

Celas Optik

Spektra refleksi difusi (Gambar 4a) menunjukkan penurunan tajam di dekat 380 nm, yang sesuai dengan celas ZnO. Setelah mengonversi ke fungsi KM dan menerapkan hubungan Tauc (Gambar 4b), celas bervariasi dari 3,28 eV (tidak dotasi) hingga 3,18 eV (dotasi 0,1 %), kemudian naik menjadi 3,26 eV pada 1 % dotasi. Penyempitan celas ringan pada dotasi rendah dikaitkan dengan renormalisasi celas yang diinduksikan pembawa; peningkatan berikutnya mencerminkan perluasan jaringan yang diinduksikan fosfor.

Fotoluminesensi

Spektra PL yang dinormalisasi (Gambar 4c) menunjukkan dua fitur dominan: puncak tepi dekat band (NBE) (≈379 nm untuk tidak dotasi, bergeser ke 384 nm pada dotasi 1 %) dan emisi level dalam (DLE) yang mencakup ungu (≈389 nm), kuning (≈580 nm), merah (≈700 nm), dan NIR (≈1,2 µm). Dekomposisi mengaitkan ini dengan interstisial seng, interstisial oksigen, rongga oksigen, dan lapisan benih yang dotasi Al, masing-masing. Pergeseran merah NBE selaras dengan transisi pasangan donor-akseptor yang melibatkan fosfor. Pentingnya, panjang gelombang DLE tetap tidak berubah di seluruh level dotasi, menawarkan emisi visible yang stabil untuk integrasi perangkat.

Implikasi untuk Desain Perangkat

Ketahanan panjang gelombang DLE terlepas dari konsentrasi fosfor memungkinkan penyesuaian independen injeksi pembawa (melalui dotasi) dan warna emisi (melalui aneling pasca-pertumbuhan). Pemisahan ini menyederhanakan pembuatan LED juncsi p–n dengan warna visible yang ditargetkan sambil mempertahankan transportasi pembawa yang efisien.

Kesimpulan

Dotasi fosfor melalui rute hidrotermal berhasil mengubah nanorod ZnO dari n-type menjadi p-type, dengan konduktivitas optimal di dekat 0,5 % NH4H2PO4. Dotasi memperbesar dimensi rod, memodifikasi intensitas XRD, dan menggeser puncak PL NBE karena pembentukan pasangan donor-akseptor, sambil mempertahankan emisi DLE visible dan NIR yang stabil. Tanda tangan optik multifungsi ini, digabungkan dengan properti listrik yang dapat dikontrol, menempatkan nanorod ZnO dotasi fosfor sebagai kandidat yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik UV–NIR.

Singkatan

DLE

Emisi level dalam

HMTA

Heksametilentetramin

KM method

Metode Kubelka–Munk

NBE

Emisi tepi dekat band

Nd-YAG

Neodimium-dopierte yttrium aluminium garnet

NH4H2PO4

Ammonium dihydrogen fosfat

NIR

Inframerah dekat

PL

Fotoluminesensi

P_O

Situs oksigen dalam ZnO

P_Zn

Situs seng dalam ZnO

RF

Radio frekuensi

SEM

Mikroskop elektron pemindai

UV

Ultraviolet

XRD

Difraksi sinar X

Zn(NO3)2

Zink nitrate heksahidrat

ZnO

Oksida seng