시간 상관 단일 광자 계수장치 구성 및 ZnO 나노구조물질의 형광 소멸 시간 분석
Study of Carrier Dynamics in ZnO Nanostructures using Time-Correlated Single Photon Counting
- 주제(키워드) 시간 상관 단일 광자 계수 , ZnO , 형광 소멸 시간 , Photoluminescence
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이상민
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000010191
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
반도체와 반도체 미세구조의 비선형 광학적 특성은 기존의 전자소자가 안고 있는 물질 내 유효 질량에 의한 운반자 이동 속도의 감소, 전자기적 간섭 잡음 및 병렬처리 방식이 곤란하다는 점 등 여러 가지 한계를 보완 혹은 극복할 수 있는 광소자의 개발 가능성을 제시하고 있을 뿐만 아니라 그 자체가 매우 흥미로운 물리 현상이다. 본 연구에서는 이러한 반도체 물질의 특성 및 성능을 평가하기 위해 시간 상관 단일 광자 계수(Time-Correlated Single Photon Counting; TCSPC)장치를 구성하였고, 이를 이용하여 새로운 광소자로 각광 받고 있는 ZnO 나노구조물 중 nanorod와 nanonail의 광학적 특성을 측정, 분석하였다. ZnO는 상온에서 3.36 eV의 밴드 갭 에너지와 60 meV의 엑시톤 결합에너지를 가지고 있고 광소자로 많이 쓰이고 있는 GaN와 구조적, 광학적으로 비슷한 특성을 가지고 있어 GaN의 대체 물질로 각광을 받고 있다. 근적외선 영역에서 80 MHz의 반복률을 가지며 150 fs의 펄스폭을 갖는 Ti:sapphire 펨토초 레이저와 Time-to-Amplitude Converter(TAC), Multichannel Analyzer(MCA), Microchannel Plate Photo Multiplier Tubes(MCP-PMT) 및 Photodiode 등을 사용하여 TCSPC 장치를 구성하였다. 또한, 각 구성 장치의 특성을 알아보았고, 이를 이용하여 ZnO 나노구조물의 Photoluminescence와 형광 소멸 시간 측정 하였다. Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD) 방법으로 제작된 ZnO nanorod와 nanonail의 Photoluminescence와 형광 소멸 시간은 20 ~ 300 K까지 측정 온도의 변화에 따른 특성을 연구하였다. 온도가 증가함에 따라 Photoluminescence의 최대 피크가 낮은 에너지 쪽으로 이동하게 되고 최대 피크의 세기는 점점 작아짐을 확인하였다. 이는 열효과(thermal effect)와 전자-정공 쌍의 분리에 의한 것이라고 해석하였고, 20 K에서 Near Band Edge(NBE) 발광 특성도 알아보았다.
more초록/요약
Nonlinear optical properties of semiconducting materials and their nanostructures are of much interest as they suggest the possibility of developing ultra-fast optical devices that can overcome the limitations of electronic devices. Especially, research on applying semiconductor nanostructures to optical memory, optical communication, optical modulation and all-optical computing systems is in progress across the world. In order to achieve these desired goals, yet, there are various issues, such as the study of life time of an exciton in semiconductors, to address and experiments are being performed in this direction. It is necessary to develop measurement techniques to study the nonlinear optical properties of a system with excited states using time-resolved spectroscopy and nonlinear spectroscopy. Photoluminescence is one such nondestructive and powerful technique for the optical characterization of semiconductors. The exciton lifetime, an important parameter related to material quality and device performance, can be measured by time-resolved photoluminescence spectroscopy. In the present work, we constructed a time-correlated single photon counting system to measure photoluminescence lifetime of zinc oxide(ZnO) nanostructures. ZnO is one of the most interesting Ⅱ-Ⅵ compounds with a wide direct band gap of 3.36 eV and large exciton binding energy of 60 meV at room temperature. It has been used for various kinds of application, such as transparent conductive films, gas sensors, surface acoustic wave devices and solar cell windows. ZnO shows n-type semiconducting properties due to defects, such as the oxygen vacancy and interstitial zinc atoms. Time-correlated single photon counting system was built using a mode-locked Ti:sapphire laser, a Time-to-Amplitude Converter(TAC), a Multichannel analyzer(MCA), a MCP-PMT(Multichannel plate PMT) and a Photodiode. The system was employed to record photoluminescence of ZnO nanorods and nanonails grown by the Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD), and to measure carrier lifetime of at temperatures at and very much below the room temperature. The output laser pulses were frequency tripled by a BBO crystal to meet the band gap energy of ZnO nanostructures. The experimental data gave useful information on dynamics of photo-excited ZnO. Various excitons and free carrier dynamics were observed with different ZnO structures. The carrier recombination lifetime, near-band-edge emission at low temperature and thermal effect on these properties of ZnO nanostructures were estimated.
more목차
국 문 요 약 ⅰ
차 례 ⅱ
그 림 차 례 ⅳ
표 차 례 ⅵ
제 1 장 서 론 1
제 2 장 이 론 3
제 1 절 발광(Luminescence) 4
1항 광발광(Photoluminescence; PL) 4
2항 반도체내에서의 발광원리 6
제 2 절 시분해발광(Time-Resolved Photoluminescence; TRPL) 10
제 3 장 산화아연(Zinc Oxide; ZnO) 11
제 1 절 ZnO의 물성 12
1항 구조적, 물리적 특성 12
2항 광학적 특성 14
3항 ZnO 발광과 엑시톤 16
제 2 절 ZnO 나노 구조물 18
제 3 절 ZnO 나노 구조물 제작 방법 21
제 4 장 시간 상관 단일 광자 계수법(Time-Correlated Single Photon Counting ; TCSPC) 24
제 1 절 TCSPC의 원리 24
제 2 절 TCSPC의 검출 광자 분포 27
제 3 절 결과 처리법 29
제 4 절 TCSPC 시스템 33
1항 레이저 광원 34
2항 전자장치 37
제 5 장 실험 장치 및 실험 결과 40
제 1 절 TCSPC 실험 장치 40
제 2 절 실험 결과 41
1항 Photoluminescence 41
2항 형광 소멸 시간 측정 47
제 6 장 결론 51
참 고 문 헌 53
Abstract 58
목차
그림 1. Photoluminescence 기본 원리 5
그림 2. ZnO 결정 구조 13
그림 3. ZnO의 일반적인 발광 스펙트럼 15
그림 4. ZnO의 결정 내에서의 결함들의 준위 16
그림 5. TCVD의 장비 모식도 22
그림 6. ZnO nanorod의 SEM 영상 23
그림 7. ZnO nanonail의 표면(좌), 측면(우)의 SEM 영상 23
그림 8. TCSPC 원리(위)와 전자 장치(아래)의 개략도 26
그림 9. 펄스폭에 의한 convolution 30
그림 10. TCSPC 시스템 개략도 33
그림 11. Ti:sapphire fundamental(좌)과 SHG(우) 빔의 파장에 따른 출력특성 34
그림 12. Ti:sapphire fundamental 빔의 파장에 따른 스펙트럼 35
그림 13. Ti:sapphire SHG 빔의 파장에 따른 스펙트럼 36
그림 14. CFD의 동작 원리 38
그림 15. TCSPC 실험 장치 모식도 40
그림 16. 250 K에서 ZnO nanorod와 nanonail의 photoluminescence 41
그림 17. 20 K에서 ZnO nanorod와 nanonail의 photoluminescence 43
그림 18. 온도 변화에 따른 ZnO nanonail의 photoluminescence 45
그림 19. 온도 변화에 따른 ZnO nanonail의 피크 위치 45
그림 20. 온도 변화에 따른 ZnO nanorod의 photoluminescence 46
그림 21. 250 K에서 ZnO nanorod의 형광 소멸 곡선 48
그림 22. 250 K에서 ZnO nanonail의 형광 소멸 곡선 48
그림 23. 온도 변화에 따른 ZnO nanorod의 형광 소멸 곡선 50
목차
표 1. ZnO의 물리적 성질 13
표 2. 저온 photoluminescence에서의 ZnO 발광 원인별 영역 17
표 3. Ti:sapphire fundamental(좌)과 SHG(우) 빔의 파장에 따른 출력값 35
표 4. Ti:sapphire fundamental(좌)과 SHG(우) 빔의 파장에 따른 반치폭(FWHM) 36
표 5. 온도 변화에 따른 ZnO nanorod의 형광 소멸 시간 50
