Niedertemperatur-Wachstum von ZnO-Nanosäulen für optoelektronische Anwendungen

ZnO-Nanosäulen als Basis für miniaturisierte Bauelemente spielen eine wichtige Rolle im Bereich zukunftsweisender Nanotechnologien. In den letzten Jahren haben sich vor allem gasphasenepitaktische Wachstumsmethoden im Bereich des Nanosäulen-Wachstums etabliert. Diese sind allerdings mit hohen Wachstumstemperaturen und hohem apparativem Aufwand verbunden. Als Alternative zu diesen Methoden wurden im Rahmen dieser Arbeit nass- und elektrochemische Herstellungsansätze entwickelt. Interessant sind diese Ansätze vor allem wegen ihrer geringen Wachstumstemperaturen von maximal 90 ?C und des geringen apparativen Aufwands, die diese Methoden besonders kostengünstig machen. In der Literatur fehlen bislang systematische Untersuchungen des nasschemischen Wachstumsverfahrens, die für eine kontrollierte Herstellung und eine weitere Etablierung der Methode insbesondere in Hinblick auf Bauelemente-Anwendungen unerlässlich sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, diese Lücke zu schließen und ein tieferes Verständnis des nasschemischen Wachstums zu gewinnen. ZnO-Nanosäulen wurden in einem speziell dafür konzipierten Aufbau in einer wässrigen Lösung aus Zinknitrat (Zn(NO3)2) und HMT (C6H12N4) synthetisiert. Erste Versuche auf Si haben gezeigt, dass für ein homogenes Wachstum von ZnO-Nanosäulen-Ensembles eine Oberflächenaktivierung notwendig ist. Eine Schicht aus ZnO-Nanokristallen diente dabei als Keimschicht. Diese ermöglichte es, reproduzierbar homogene und dichte Ensembles auf dem gesamten Wafer herzustellen. Anhand von Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Untersuchungen an der Substrat/Nanosäulen-Grenzfläche war es möglich, ein anschauliches Modell für die Wachstumsmechanismen zu entwickeln. Als weitere Option wurden Metallfilme erfolgreich zur Oberflächenaktivierung eingesetzt. Insbesondere Silberschichten führten zu gut ausgerichteten ZnO-Nanosäulen-Ensembles. DasWachstum auf mit Silber vorstrukturierten Glassubstraten zeigte bei geeigneter Wahl der Wachstumsparameter eine hohe Selektivität. Diese zeichnete sich durch ein dichtes Wachstum auf der Silberoberfläche und keine Abscheidung auf der Glasoberfläche aus. So war es möglich, strukturierte Nanosäulen-Ensembles ohne anschließende aufwändige fotolithografische Strukturierungsschritte herzustellen. Zum grundsätzlichen Verständnis der nasschemischen Wachstumsmethode war es wichtig, den Einfluss der Wachstumsparameter auf die Morphologie und die kristallinen und optischen Eigenschaften der Proben zu bestimmen. Es wurden Reaktandenkonzentrationen zwischen 0,01 und 0,1 mol/l, Wachstumszeiten von bis zu 8 h, die Zahl der Wachstumszyklen, Wachstumstemperaturen zwischen 60 und 90 ?C und unterschiedliche HMT/Zinknitrat-Verhältnisse verwendet und ihr Einfluss auf das Wachstum systematisch untersucht. Anhand der gewonnenen Ergebnisse konnten unter den genannten Bedingungen ZnO-Nanosäulen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 nm und Längen von 0,4 bis 6 µm kontrolliert hergestellt werden. So führten höhere Konzentrationen zu größeren Durchmessern, wohingegen die Länge vor allem durch dieWachstumsdauer bestimmt wurde. Trotz der geringen Wachstumstemperaturen besitzen die Nanosäulen eine gute kristalline und optische Qualität. TEM- und Röntgendiffraktometrie(XRD)-Untersuchungen zeigen, dass die ZnONanosäulen einkristallin und versetzungsfrei sind. Photolumineszenz(PL)-Spektren bei Raumtemperatur zeigen die für ZnO typische Emission im UV-Bereich bei 3,3 eV (Linienbreite 120 meV) und zusätzlich eine breite Bande im sichtbaren Spektralbereich mit einem Maximum bei 2,1 eV (orange Lumineszenz), die Punktdefekten im Kristall zugeordnet wird. Das Auftreten von Phononenreplika in Niedertemperatur-Spektren ist