Nanostrukturování monokrystalického ZnO energetickými iontovými svazky pro nové optické funkční materiály

Mgr. Adéla JAGEROVÁ

Doctoral thesis

Nanostructuring of monocrystalline ZnO with energetic ion beams for novel optical functional materials

Abstract:

Tato dizertační práce se zabývá nanostrukturováním různých orientací krystalického ZnO iontovými svazky. Krystalický ZnO je polovodič využívaný pro své optické a fotokatalytické vlastnosti v optoelektronice pracující v oblasti ultra-fialového (UV) záření (diody, UV detektory), sensorice a ve fotokatalytických degradacích. Modifikací ZnO zlatými (Au) nanočásticemi nebo povrchovým nanostrukturováním lze rozšířit aplikace i do oblasti viditelného světla, zvýšit citlivost senzorů založených na ZnO a zlepšit fotokatalytické vlastnosti. V praxi se využívá zejména polární krystalografická orientace (c-řez) ZnO, která ovšem vykazuje nežádoucí Starkův jev a tak se do popředí dostává i strukturování nepolárních krystalografických orientací ZnO. Cílem této práce bylo připravení Au nanočástic v polárním a nepolárním ZnO implantací Au iontů se střední energií a nanostrukturování ZnO povrchů pomocí ozařování vysokoenergetickými těžkými ionty. Současně byla v práci studována kumulace radiačních defektů v různých krystalografických řezech ZnO a její vliv na optické vlastnosti připravených nanostruktur. Složení vzorků a strukturální změny u modifikovaného ZnO byly sledovány analýzou Rutherfordova zpětného rozptylu (RBS) v kanálovacím režimu a výsledky byly srovnávány s komplementárními metodami jako Ramanova spektroskopie a rentgenová difrakce (XRD). Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) a mikroskopie atomárních sil (AFM) byly použity pro vizualizaci nanostruktur vytvořených iontovými svazky. Optické vlastnosti byly studovány pomocí fotoluminiscence, spektroskopickou elipsometrií a analýzou absorpčních spekter.

Abstract:

This dissertation thesis is focused on the nanostructuring of various ZnO crystallographic orientations with ion beams. Crystalline ZnO is a semiconductor applied for its interesting optical and photocatalytic properties in optoelectronics working in ultra-violet (UV) wavelength region (diodes, UV detectors), sensors and photocatalytic degradations. ZnO modification with gold (Au) nanoparticles or surface nanostructuring can extend ZnO applications into the visible light wavelength region, increase the sensitivity of ZnO-based sensors and improve photocatalytic properties. Mainly polar (c-plane) ZnO crystallographic orientation is applied for device fabrication, but it exhibits an undesirable Stark effect. Thus also nonpolar ZnO crystallographic orientation nanostructuring is keeping attraction. The goal of this thesis is the preparation of Au nanoparticles in polar and nonpolar ZnO with implantation of middle energy Au ions and ZnO surface nanostructuring with high energy heavy ion irradiation. Simultaneously, the radiation defect cumulation was studied in connection to the optical properties of nanostructures prepared in different ZnO crystallographic orientations. Elemental composition and structural changes were observed with Rutherford backscattering spectrometry (RBS) in channelling mode and the results were compared with complementary methods such as Raman spectroscopy and roentgen diffraction (XRD). Transmission electron microscopy (TEM) and Microscopy of atomic forces (AFM) were applied for the visualisation of nanostructures prepared with ion beams. The optical properties were studied with photoluminescence measurement, spectroscopic ellipsometry and absorption spectra analysis.

Keywords

polovodiče, ZnO, modifikace iontovými svazky, kumulace defektů, povrchové nanostrukturování, Au nanočástice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 11. 2022

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Anna Macková, Ph.D., prof. RNDr. Anna Macková, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Nanotechnology / Applied Nanotechnology