Structural parameters (size, defect and doping) of ZnO nanostructures and relations with their optical and electrical properties

Fang, Yaoguo GND

The performance and properties of the ZnO nanostructure-based devices (mainly including the wire-like and leaf-like structure) are highly dependent on the sizes, defects and doping of ZnO. Therefore, it is necessary to investigate these parameters in the ZnO nanostructure for optimizing its properties, hence providing the motivation of this PhD work. In this thesis, ultralong ZnO nanowires (NWs), indium (In)-doped leaf-like and needle-like ZnO nanostructures, which are fabricated via the chemical vapor deposition (CVD) process and hydrothermal method, have been investigated in details for the relationship of the sizes, defects and doping with their properties. Firstly, a number of analysis techniques are used to understand the correlation between the defects and sizes (diameter and length) of the ZnO NWs. The results show that the concentration of oxygen vacancies (Vo) jointly with zinc interstitials (Zni) defects is observed to be positively correlated with the increasing sizes of the NWs. Importantly, it is found that the variation of the field-enhancement factor (¦Â) of the ZnO NWs in field emission is highly dependent on the concentration of Vo with the length of the NWs. As compared with the ultralong and needle-like ZnO NWs, In-doped ZnO nanostructure has the lowest turn-on and threshold field as well as its relatively high ¦Â value. The reason is ascribed to the specific leaf-like morphology and in doping. Therefore, knowledge of the correlation and inter-relationship between the amount and type of native intrinsic defects or doping present in the NWs as their size varies is a crucial step towards optimizing and tuning the performances of ZnO nanostructure-based devices.

Die Eigenschaften und Leistung von Gerätschaften, welche auf ZnO-Nanostrukturen basieren (vornehmlich drahtähnliche und blattähnliche) hängen im Wesentlichen von der Größe der Nanostrukturen, denen in ihnen auftretenden strukturellen Defekten sowie der Dotierung des ZnO ab. Daher ist es nötig diese Parameter in ZnO zu untersuchen um dessen Eigenschaften optimieren zu können, was somit auch die Motivation für diese Dissertationsschrift darstellt. In dieser Arbeit wurden Größen, Defekt- und Dotierungseffekte auf die Eigenschaften von ultralangen ZnO-Nanodrähten, In-dotierten blattähnlichen ZnO Strukturen sowie nadelförmigen ZnO-Nanostrukturen untersucht, welche mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und einer hydrothermalen Abscheidungsmethode hergestellt wurden. Zunächst wurde eine Vielzahl von Analysetechniken angewendet um die Korrelation zwischen den auftretenden Defekten und der Größe, respektive dem Durchmesser und der Länge, der ZnO-Nanodrähte zu ermitteln. Die entsprechenden Resultate zeigen, dass eine steigende Konzentration von Sauerstoffleerstellen (Vo) in Kombination mit einer steigenden Konzentration von Zn Zwischengitterdefekten (Zni) für eine ansteigende Größe der Nanodrähte verantwortlich ist. Besonders erwähnenswert ist, dass die Variation des Feldverstärkungsfaktors (β) der ZnO-Nanodrähte bei Feldemission erheblich von der Konzentration der Sauerstoffleerstellen (Vo) in Kombination mit der Länge der Nanodrähte zusammenhängt. Im Vergleich mit den ultralangen und nadelförmigen ZnO-Nanodrähten, weisen die In-dotierten Nanostrukturen das niedrigste Anschalt- und Grenzfeld sowie den relativ höchsten Feldverstärkungsfaktor β auf. Der Grund hierfür wird der blattähnlichen Morphologie sowie der Dotierung zugesprochen. Daher ist das Wissen um die Korrelation zwischen der Menge und der Art von natürlichen intrinsischen Defektstrukturen sowie der Dotierung in den Nanodrähten mit sich ändernder Größe der Strukturen ein wichtiger Schritt in Richtung einer Optimierung und eines allgemeinen Tuningprozesses von Geräten, welche auf ZnO-Nanostrukturen basieren.

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Fang, Yaoguo: Structural parameters (size, defect and doping) of ZnO nanostructures and relations with their optical and electrical properties. 2017.

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