TU Darmstadt / ULB / TUprints

Template-assisted growth and characterization of ZnO-based nanowire arrays and 3D networks

Movsesyan, Liana :
Template-assisted growth and characterization of ZnO-based nanowire arrays and 3D networks.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
Movsesyan_Liana_Doktorarbeit_2016.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (9MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Template-assisted growth and characterization of ZnO-based nanowire arrays and 3D networks
Language: English
Abstract:

In recent years, research on the fabrication of semiconductor nanowires has attracted increasing interest in various fields of research. Especially, the successful synthesis of ZnO micro- and nanoscale structures has paved the way to numerous applications for devices including nanogenerators, sensors, solar and fuel cells. This work focuses on the synthesis of ZnO nanowire arrays and nanowire networks by means of electrochemical deposition in etched ion-track membranes. Three different geometries of nanowire-based structures are discussed: arrays of vertically aligned (1) cylindrical ZnO nanowires and (2) ZnO nanocones as well as (3) mechanically stable three-dimensional (3D) ZnO and ZnO/TiO2 nanowire networks. To establish a reproducible growth process of ZnO in track-etched membranes, the electrodeposition parameters of vertically aligned cylindrical ZnO nanowires are adjusted by independently varying the applied potential during the electrodeposition, the pore diameter of the membranes, and the concentration of the electrolyte (Zn(NO3)2·6H2O). The influence of these parameters on the morphological and crystallographic properties of the nanowires is analysed by means of high resolution scanning electron microscopy (HRSEM) and X-ray diffraction (XRD). ZnO nanocone arrays with µm-size bases and nm-size tips are fabricated applying two growth approaches: base-to-tip and tip-to-base. The arrays are analysed by SEM in terms of mechanical stability. An important part of this thesis is the design and synthesis of 3D ZnO nanowire networks. The number density and diameter of the nanowires in the network are optimized in order to obtain mechanically stable 3D building blocks exhibiting a high surface area. The crystallographic properties are studied by XRD, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), selected area electron diffraction (SAED), and high-angle annular dark-field (HAADF) imaging. Knowledge drawn from these investigations is crucial for the implementation of these 3D nanoarchitectures into devices, including photodiodes and -electrodes. Furthermore, the durability of ZnO-based nanowire networks in aqueous environment under applied potential and illumination is tested. In particular, they are employed as photoanode model systems for photoelectrochemical water splitting. The measurements are performed on pure ZnO and core/shell ZnO/TiO2 nanowire networks and compared to those of their film counterparts. The role of the TiO2 layer as a protection layer against photo(electro)chemical corrosion of ZnO as well as the efficient charge separation and transport from nanowires to the electrolyte is highlighted. By using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) the contamination and chemical composition on the surface of the networks are quantified before and after photoelectrochemical measurements. Additionally, the Schottky barrier heights formed at the ZnO-Au and TiO2-Au contacts are theoretically determined from the values of the work function and the valence band position. The work presented in this thesis shows how the outstanding flexibility of the ion-track technology combined with electrochemical deposition leads to new options for fabrication of complex ZnO-based nanowire structures. The possibility to tune the length, diameter and orientation allows the production of free-standing, high aspect ratio structures which are promising for a wide range of applications, including energy conversion and storage.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren hat die Herstellung von Halbleiter-Nanodrähten zunehmendes Interesse in verschiedenen Forschungsgebieten geweckt. Insbesondere eröffnet die erfolgreiche Synthese von ZnO Mikro- und Nanostrukturen eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. Nanogeneratoren, Sensoren, Solar- und Brennstoffzellen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von ZnO Nanodrahtarrays und Nanodrahtnetzwerken mittels elektrochemischer Abscheidung in geätzten Ionenspurmembranen. Drei verschiedene Geometrien von Nanodraht-basierten Strukturen wurden abgeschieden und analysiert: vertikal ausgerichtete Arrays von (1) zylindrischen und (2) konischen ZnO Nanodrähten sowie (3) mechanisch stabile dreidimensionale (3D) ZnO und ZnO/TiO2 Nanodrahtnetzwerke. Um einen reproduzierbaren Wachstumsprozess von ZnO in Ionenspurmembranen zu erzielen, wurden die Abscheideparameter für vertikal ausgerichtete zylindrische ZnO-Nanodrähte sowie die angelegte Spannung, der Durchmesser der Poren in den Membranen, und die Konzentration des Elektrolyten (Zn(NO3)2·6H2O) unabhängig voneinander variiert. Der Einfluss dieser Parameter auf die morphologischen und kristallographischen Eigenschaften der Nanodrähte wurde mittels hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie (HRSEM) und Röntgenbeugung (XRD) analysiert. Konische ZnO Nanodrahtarrays mit µm breiten Basen und nm großen Spitzen wurden mit zwei verschiedenen Wachstumsmethoden hergestellt: von der „Basis zur Spitze“ und umgekehrt von der „Spitze zur Basis“. Die Arrays wurden mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität untersucht. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung und Synthese von 3D ZnO Nanodrahtnetzwerken. Die Anzahl und der Durchmesser dieser Nanodrähte wurden optimiert, um mechanisch stabile 3D Strukturen mit hoher Oberfläche zu erhalten. Die Kristallstruktur wurde mittels XRD, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), Feinbereichsbeugung (SAED) und Ringdunkelfeldabbildung (HAADF) untersucht. Die hierdurch erhaltenen Erkenntnisse sind wichtig für die Implementierung dieser 3D Nanoarchitekturen in komplexere Bauteile wie z.B. Photodioden und -elektroden. Die Lebensdauer von ZnO-basierten Nanodrahtnetzwerken in wässriger Umgebung wurde bei angelegter Spannung und unter künstlichem Sonnenlicht (Solarsimulator, AM 1.5) getestet. Die Netzwerke dienten als Modellsystem für Photoanoden zur photoelektrochemischen Wasserspaltung. Die Messungen wurden für reine ZnO und Core/Shell ZnO/TiO2 Nanodrahtnetzwerke durchgeführt und mit den entsprechenden Filmen verglichen. Die Rolle der TiO2 Schicht als Schutzschicht gegen photo(elektro)chemische Korrosion von ZnO sowie für eine effiziente Ladungstrennung und -transport aus den Nanodrähten zum Elektrolyten wird erörtert. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wird die Kontaminationen und die chemische Zusammensetzung der Oberfläche der Nanodrahtnetzwerke vor und nach photoelektrochemischen Messungen quantifiziert. Zusätzlich werden die Höhen der Schottkybarriere an den ZnO-Au und TiO2-Au Kontakten aus den Werten der Austrittsarbeit und Valenzbandposition theoretisch bestimmt. Die durchgeführten Arbeiten zeigen, wie die große Flexibilität der Ionenspurtechnologie in Verbindung mit elektrochemischer Abscheidung zu neuen Verfahren zur Herstellung komplexer ZnO-basierter Nanodrahtsysteme führen kann. Die Möglichkeit die Länge, den Durchmesser und die Orientierung dieser Nanodrähte frei wählen zu können, erlaubt die Herstellung freistehender Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, die für ein breites Spektrum von Anwendungen, wie z.B. für Energieumwandlung und -speicherung, geeignet sind.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Ion-Beam-Modified Materials
Date Deposited: 02 Mar 2017 10:11
Last Modified: 02 Mar 2017 10:11
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54424
Referees: Trautmann, Prof. Dr. Christina and Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Refereed: 6 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5442
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year