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Raman scattering studies of Eu_(x)O_(y) thin films and 1-D ZnO nanostructures

Title
Raman scattering studies of Eu_(x)O_(y) thin films and 1-D ZnO nanostructures
Authors
신혜영
Issue Date
2010
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
윤석현
Abstract
Raman scattering 분광은 대표적인 비 파괴적 광학 물성 측정법의 하나로 이 실험을 통해서 물질 내의 포논(phonon), 전자 여기상태(excitation) 등의 기본 여기상태(elementary excitation)의 에너지와 감쇠(damping) 특성을 온도, 압력 등 외부조건 변화의 함수로 고찰할 수 있다. 각각의 여기상태들은 순서대로 격자구조, 전자구조와 밀접한 관계를 보이므로 각각의 자유도가 외부조건에 따라 변해가는 정도를 관찰할 수 있는 좋은 표지(indicator)가 된다. 몇 가지 전이금속 산화물(Transition-metal oxide)은 unipolar switching을 보이고 서로 다른 물리적 상태로 ON/OFF 상태를 구현할 수 있어 RRAM같은 비휘발성 메모리용 물질로 많이 연구되고 있다. 하지만 이 물질들을 이용해 실제 메모리 장치를 구현함에 있어 아직 해결되지 않은 문제가 있는데 최근에 EuO 박막에서 산소의 양을 조절함에 따라 switching voltage의 분포가 개선된 unipolar switching 현상이 관찰되었다. 따라서 본 연구에서는 산소의 상대적인 양을 달리하여 증착한 Eu_(x)O_(y) thin film들에서의 unipolar resistive switching 현상을 Raman scattering 분광을 이용하여 이해하고자 하였다. 본 연구에서 이해하고자 한 다른 물질인 ZnO는 1930년대부터 연구되어온 물질로 약 3.37eV의 넓은 direct band gap을 갖고 있고 exciton binding energy가 커서 광전자 소자에 널리 응용될 수 있는 가능성을 갖고 있다. 또한 ZnO는 광전자 소자 외에 태양전지의 투명전극으로도 쓰일 수 있다. ZnO는 다른 물질에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 비교적 간단한 방법으로 나노구조를 만들 수 있는데 최근에 나노구조의 제작 및 활용에 대한 관심이 높아지면서 ZnO 나노구조에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 주로 일차원 ZnO 나노구조에 대해 연구하였다. 첫 번째 연구는 ZnO nanowire와 nanocone의 모양에 따른 전기장 증폭 효과의 변화를 4-Mpy 표지 분자를 통해 간접적으로 알아보는 것이다. 두 번째는 band gap engineering과 관련된 연구이다. Band gap engineering은 광전자 소자 응용에 있어 중요한 부분이다. 이와 관련하여 ZnO nanorod와 Si nanoparticle을 섞어서 만든 시료의 물리적 성질을 Raman scattering 분광을 통해 연구하였다.;Raman scattering spectroscopy is one of the optical spectroscopy techniques that can provide information of energy, lifetime, and symmetry properties regarding lattice vibration and electronic excitation, etc. We used Raman scattering spectroscopy to study mainly oxide materials which show interesting properties both scientifically and technologically. In 2008, Sanghoon Kim et al. observed reproducible resistive switching from europium oxide(EuO) thin films. They showed unipolar memory switching behavior with smaller switching voltage distributions than those of other transition-metal -oxide films. Another material we studied, Zinc oxide(ZnO), has potential in many applications, such as optoelectronic devices, due to its interesting properties such as a direct band gap(~3.37eV) and a large exciton binding energy (60meV). Also, ZnO can be used as electrodes in solar cell devices. In this paper, firstly, we have used Raman scattering spectroscopy to study Eu_(x)O_(y) thin films which show unipolar resistive switching by controlling the oxygen gas flow rate during growth. From this, we could observe that the switching behavior may be closely related to the relative amount of Eu2O3 in EuO films. Secondly, we studied 1-D ZnO nanostructures, nanowires and nanocones, to study a field enhancement effect depending on the shape of nanowires. Our results are believed to be one of the first observations of Raman enhancement effect in 1-D semiconducting systems. Finally, in relation to band gap engineering, we investigated ZnO nanorods blended with Si nanoparticles to investigate their physical properties using Raman scattering spectroscopy.
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