시간 상관 단일 광자 계수장치 구성 및 ZnO 나노구조물질의 형광 소멸 시간 분석

Abstract

반도체와 반도체 미세구조의 비선형 광학적 특성은 기존의 전자소자가 안고 있는 물질 내 유효 질량에 의한 운반자 이동 속도의 감소, 전자기적 간섭 잡음 및 병렬처리 방식이 곤란하다는 점 등 여러 가지 한계를 보완 혹은 극복할 수 있는 광소자의 개발 가능성을 제시하고 있을 뿐만 아니라 그 자체가 매우 흥미로운 물리 현상이다. 본 연구에서는 이러한 반도체 물질의 특성 및 성능을 평가하기 위해 시간 상관 단일 광자 계수(Time-Correlated Single Photon Counting; TCSPC)장치를 구성하였고, 이를 이용하여 새로운 광소자로 각광 받고 있는 ZnO 나노구조물 중 nanorod와 nanonail의 광학적 특성을 측정, 분석하였다. ZnO는 상온에서 3.36 eV의 밴드 갭 에너지와 60 meV의 엑시톤 결합에너지를 가지고 있고 광소자로 많이 쓰이고 있는 GaN와 구조적, 광학적으로 비슷한 특성을 가지고 있어 GaN의 대체 물질로 각광을 받고 있다. 근적외선 영역에서 80 MHz의 반복률을 가지며 150 fs의 펄스폭을 갖는 Ti:sapphire 펨토초 레이저와 Time-to-Amplitude Converter(TAC), Multichannel Analyzer(MCA), Microchannel Plate Photo Multiplier Tubes(MCP-PMT) 및 Photodiode 등을 사용하여 TCSPC 장치를 구성하였다. 또한, 각 구성 장치의 특성을 알아보았고, 이를 이용하여 ZnO 나노구조물의 Photoluminescence와 형광 소멸 시간 측정 하였다. Thermal Chemical Vapor Deposition(TCVD) 방법으로 제작된 ZnO nanorod와 nanonail의 Photoluminescence와 형광 소멸 시간은 20 ~ 300 K까지 측정 온도의 변화에 따른 특성을 연구하였다. 온도가 증가함에 따라 Photoluminescence의 최대 피크가 낮은 에너지 쪽으로 이동하게 되고 최대 피크의 세기는 점점 작아짐을 확인하였다. 이는 열효과(thermal effect)와 전자-정공 쌍의 분리에 의한 것이라고 해석하였고, 20 K에서 Near Band Edge(NBE) 발광 특성도 알아보았다.