activating zno nanorod photoanodes in visible light by cu ion

16
Activating ZnO nanorod photoanodes in visible light by Cu ion implantation Meng Wang, Feng Ren, Guangxu Cai, Yichao Liu, Shaohua Shen ( ), Liejin Guo Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-014-0401-7 http://www.thenanoresearch.com on December 16, 2013 © Tsinghua University Press 2014 Just Accepted This is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by the peerreview process and has been accepted for publication. A “Just Accepted” manuscript is published online shortly after its acceptance, which is prior to technical editing and formatting and author proofing. Tsinghua University Press (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to the research community as soon as possible after acceptance. After a manuscript has been technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Please note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. Nano Research DOI 10.1007/s1227401404017

Upload: dinhnhan

Post on 06-Feb-2017

229 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Nano Res 

1

Activating ZnO nanorod photoanodes in visible light by

Cu ion implantation

Meng Wang, Feng Ren, Guangxu Cai, Yichao Liu, Shaohua Shen (), Liejin Guo Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-014-0401-7 http://www.thenanoresearch.com on December 16, 2013 © Tsinghua University Press 2014

Just Accepted  

This  is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by  the peer‐review process and has been 

accepted  for  publication. A  “Just Accepted” manuscript  is  published  online  shortly  after  its  acceptance, 

which  is prior  to  technical  editing  and  formatting  and  author proofing. Tsinghua University Press  (TUP) 

provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available 

to  the  research  community  as  soon  as possible  after  acceptance. After  a manuscript has  been  technically 

edited  and  formatted,  it will  be  removed  from  the  “Just Accepted” Web  site  and published  as  an ASAP 

article.  Please  note  that  technical  editing  may  introduce  minor  changes  to  the  manuscript  text  and/or 

graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event 

shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained 

in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), 

which is identical for all formats of publication. 

 

 

 

Nano Research  DOI 10.1007/s12274‐014‐0401‐7 

1

TABLE OF CONTENTS (TOC)

Activating ZnO Nanorod Photoanodes in Visible Light

by Cu Ion Implantation

Meng Wang1, Feng Ren2, Guangxu Cai2, Yichao Liu2,

Shaohua Shen1*, Liejin Guo1

Xi’an Jiaotong University, China

Wuhan University, China

Page Numbers.

As the main doped component, Cu+ was successfully doped

into ZnO nanorod arrays by advanced ion implantation method.

Cu ion doped ZnO nanorod arrays achieved extended optical

absorption edges and enhanced photoelectrochemical

performance.

2

Activating ZnO Nanorod Photoanodes in Visible Light by Cu Ion Implantation

Meng Wang1, Feng Ren2, Guangxu Cai2, Yichao Liu2, Shaohua Shen1 (), Liejin Guo1

1 International Research Centre for Renewable Energy, State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an

Jiaotong University, Shaanxi 710049, China. Email: [email protected] 2 School of Physics and Technology, Center for Ion Beam Application, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China

Received: day month year / Revised: day month year / Accepted: day month year (automatically inserted by the publisher) © Tsinghua University Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

 

ABSTRACT   Utilization of visible  light  is of crucial  importance  for exploiting efficient semiconductor catalysts  for solar 

water splitting. In this study, an advanced ion implantation method was utilized to dope Cu ions into ZnO 

nanorod arrays for photoelectrochemical water splitting in visible light. XRD and XPS results revealed that 

Cu+  together with a  small amount of Cu2+ were highly dispersed within  the ZnO nanorod arrays. Cu  ion 

doped  ZnO  nanorod  arrays  displayed  extended  optical  absorption  and  enhanced  photoelectrochemical 

performance under visible light illumination (λ > 420 nm). A considerable photocurrent density of 18 μA/cm2 

at 0.8 V (vs. SCE) was achieved, which was about 11 times higher than that of bare ZnO nanorod arrays. This 

study  proposes  that  ion  implantation  could  be  an  effective  approach  for  developing  novel 

visible‐light‐driven photocatalytic materials for water splitting.

 

KEYWORDS   Ion implantation; Cu ion doping; ZnO nanorods; photoanode; water splitting 

1 Introduction 

ZnO has been one of  the most widely  investigated 

materials  for  solar  water  splitting,  due  to  its 

excellent  properties  such  as  thermal  stability,  low 

cost, non‐toxic and appropriate conduction/valence 

band  edges  [1‐7].  However,  because  of  the  wide 

band gap, ZnO can only respond to ultraviolet (UV) 

light,  which  accounts  for  only  4%  in  the  solar 

spectrum.  To  extend  its  optical  absorbance  band 

edge  to  visible  light  range,  in  the  past  decades, 

many attempts,  for example, doping with metal or 

non metal ions [8‐10], sensitizing with organic dyes 

[11‐13], narrow band gap  semiconductor quantum 

Nano Res  DOI (automatically inserted by the publisher) Research Article 

————————————

Address correspondence to Shaohua Shen, [email protected]

3

dots  like  CdS,  CdSe  and  CdTe  [14‐18]  and 

nano‐sized  plasmonic  nanoparticles  [19‐21]  have 

been  carried  out  to make  ZnO  photoactive  under 

visible light irradiation. 

Doping with metal ions is a very common method 

to create impurity levels in the forbidden gap and to 

narrow the band gap for utilizing visible light. The 

impurity levels which locate above the valence band 

or below the conduction band act as acceptor levels 

or  donor  levels,  respectively.  Both  acceptor  levels 

and  donor  levels  make  the  semiconductors 

responsive  to  visible  light. Many  approaches  such 

as co‐precipitation  [22, 23], sol‐gel  [2, 24], chemical 

vapor  deposition  [25,  26],  hydrothermal  [27],  and 

advanced  ion  implantation,  etc.  [28‐33],  were 

implemented  to  dope metal  ions  into  wide  band 

gap  materials.  Comparing  these  different 

approaches,  metal  ions  introduced  by  traditional 

chemical  doping  methods  are  always  unstable. 

After  post  annealing  treatment,  they  aggregate  on 

the surface of substrate materials, which can act as 

recombination  centres  for  photo‐induced  electrons 

and holes [28]. On the contrary, the physical doping 

method such as advanced ion implantation method 

can make the doped metal  ions  inject  into the bulk 

of  substrate  materials  and  exist  in  a  highly 

dispersed  state.  Therefore,  ion  implantation  can 

modify  the  bulk  electronic  properties  of  substrate 

materials,  and has been  considered  as  an  effective 

approach to incorporate metal ions into TiO2 crystal 

to improve its optical absorption properties. Several 

far‐reaching  reviews  have  been  published  [28,  32, 

33],  in which  the  effects of metal  ion  implantation 

for  extending  the  optical  absorption  edges  and 

improving  the photocatalytic  activity of TiO2 were 

discussed.  It  was  indicated  that  metal  ion 

implantation  with  Fe,  Ni, Mn,  V,  and  Cr  caused 

obvious red shift in the optical absorption spectra of 

TiO2  photocatalysts,  whereas  Ti,  Mg,  or  Ar  ion 

implanted TiO2 exhibited no obvious red shift in the 

optical  absorption  spectra,  showing  that  the  red 

shift  was  not  resulted  from  the  implantation 

approach  itself,  but  induced  by  the  interaction  of 

dopants  and  TiO2  catalyst. However, most  of  the 

metal  ion  implanted  TiO2  photocatalysts  were 

utilized  for  decomposing  organic  pollutes.  Metal 

ion  implanted  TiO2  or  ZnO  films  utilized  as 

effective  phtoanodes  for  efficient  water  splitting 

were rarely reported. In our serials of experiments, 

various  elements  such  as Cu, N, V,  etc. have been 

doped to different substrates such as ZnO and TiO2 

photoanodes  by  ion  implantation  method.  Both 

doped  ZnO  and  TiO2  photoanodes  exhibited 

extended  optical  absorption  edges  and  enhanced 

photoelectrochemical  (PEC)  performance  under 

visible  light  (λ  >  420  nm). Detailed  investigations 

about these results are in progress. 

In  the  present  study,  ZnO  nanorod  arrays  were 

hydrothermally  grown  on  the  fluorine‐doped  tin 

oxide  (FTO)  substrate,  and  further  doped  with 

different fluences of Cu ions by the ion implantation 

technique. A systematic investigation was conducted 

to  reveal  the  influence  of  Cu  dopants  on  the 

physicochemical properties and PEC performance of 

Cu ion doped ZnO nanorod photoanodes. 

2 Experimental 

2.1 Synthesis procedure 

(1)  ZnO  nanorod  arrays  were  prepared  via  a 

hydrothermal  method  as  described  in  previous 

reports  [34,  35],  with  minor  modification.  ZnO 

nanorod arrays were grown on  the  fluorine‐doped 

tin  oxide  (FTO)  substrate.  FTO  substrate  (TEC‐15, 

15  Ω/sp)  were  cleaned  by  ultrasonic  cleaning  in 

acetone, de‐ionized water  and  ethanol,  for  30 min 

respectively, and then dried in nitrogen flow. 0.1 M 

zinc acetate (Zn(CH3COO)2∙2H2O)  in methanol was 

spin‐coated  on  FTO  glasses  at  2000  rpm  for  25  s, 

which was repeated for 8 times. Then the substrate 

was  annealed  in  air  at  350  °C  for  30 min with  a 

ramping  rate  of  5  °C  /min.  The  obtained  ZnO 

seeded  FTO  glass was  put  into  a mixed  aqueous 

4

solution  of  zinc  nitrate  (Zn(NO3)2∙6H2O)  and 

hexamethylenetetramine  (C6H12N4)  (0.05  mol/L), 

and  maintained  at  90  °C  for  24  h.  Finally,  ZnO 

nanorod  arrays  were  obtained  by  post  annealing 

treatment at 450 °C for 30 min with a ramping rate 

of 5 °C/min. 

 

Figure 1 Schematic diagram of ion implantation method (left)

and the process of Cu ion implanting into ZnO nanorods (right). 

(2) Figure 1 shows the schematic diagram of the ion 

implantation method. Cu  ions were  implanted  into 

ZnO  nanorod  arrays  by metal  vapor  vacuum  arc 

(MEVVA)  ion  source  implanter  [36,  37].  This 

synthesis  procedure  was  carried  out  at  room 

temperature with accelerator voltage of 30 kV, and 

the nominal fluences were 3×1015, 5×1015, and 2×1016 

ions/cm2,  respectively.  Then  the  ion  implanted 

samples were  annealed  at  450  °C  for  1  h with  a 

ramping  rate  of  5  °C/min.  The  obtained  Cu  ion 

doped  ZnO  nanorod  arrays  with  different 

implantation  fluences  (3×1015,  5×1015,  and  2×1016 

ions/cm2) were named as Cu/ZnO–1, Cu/ZnO–2 and 

Cu/ZnO–3, respectively. 

2.2 Characterization 

The X‐ray diffraction (XRD) patterns were obtained 

from a PANalytical X’pert MPD Pro diffractometer 

operated at 40 kV and 40 mA using Ni‐filtered Cu 

Kα  irradiation  (Wavelength  1.5406 Å). The UV‐vis 

absorption spectra of the samples were determined 

with  a  Hitachi  U‐4100  UV‐vis  near‐IR 

spectrophotometer.  The  sample  morphology  was 

observed by a  JEOL  JSM‐7800FE  scanning  electron 

microscope  and  FEI  Tecnai  G2  F30  S‐Twin 

transmission electron microscope at an accelerating 

voltage  of  300  kV.  Raman  scattering  study  was 

performed  on  a  Jobin  Yvon  LabRAM  HR 

spectrometer  using  an  argon  ion  laser with  514.5 

nm  irradiation  at  20 mW. Photoluminescence  (PL) 

spectra  were  tested  on  a  PTI  QM‐4  fluorescence 

spectrophotometer.  The  chemical  composition was 

obtained by X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) 

(Axis UltraDLD, Kratos) with mono Aluminum Kα 

radiation.  The  charge  calibration  was  done  by 

correcting C1s line of adventitious carbon setting to 

284.8 eV to compensate the charge effect.   

2.3 Photoelectrochemical (PEC) measurement 

PEC  measurements  were  carried  out  in  a 

convenient three electrodes cell. Cu ion doped ZnO 

nanorod  arrays mounted  onto  a  special  designed 

electrode  holder  were  used  as  the  working 

electrodes. The surface areas exposed to electrolyte 

were  fixed  at  0.785  cm2.  A  saturated  calomel 

electrode (SCE) served as a reference electrode and 

a  large  area platinum plate was used as  a  counter 

electrode. 0.5 M Na2SO4 aqueous solution was used 

as  the  electrolyte. An  electrochemical workstation 

(chi760D) and a 350 W Xe lamp solar simulator (100 

mW/cm2)  with  adjustable  power  settings  through 

an  AM  1.5G  filter  (Oriel)  were  used  for 

amperometric  photocurrent–potential  (I‐V)  and 

5

photocurrent–time  (I‐t) measurements, with  a  420 

nm  cut‐off  filter  used  to  prevent  UV  light. 

Mott‐Schottky measurement in dark was performed 

in a 0.5 M Na2SO4 electrolyte at  the  frequency of 1 

kHz, with Ag/AgCl as the reference electrode. 

3 Results and Discussion 

3.1 Morphology analysis 

Figure 2 High powered FESEM images of Cu ion doped ZnO

nanorod arrays with different implantation doses: (a, b) 3×1015

ions/cm2; (c, d) 5×1015 ions/cm2; (e, f) 2×1016 ions/cm2.

Cu ion doped ZnO nanorod arrays were fabricated 

by a two‐step method. In the first step, vertical ZnO 

nanorods with diameter ranging from 60 nm to 150 

nm were  successfully grown on  the FTO  substrate 

by  a  hydrothermal  method  (Figure  S1  in  the 

Electronic  Supplementary  Material  (ESM)).  In 

addition,  the  as‐prepared  ZnO  nanorods  were 

evenly distributed on the FTO substrate, which was 

believed  to be necessary  for effective  interaction at 

the  interface  between  semiconductor  and  aqueous 

solution. Figure S1b in ESM shows that the top and 

side  surface  of  bare  ZnO  nanorods  was  quite 

smooth.  After  the  ion  implantation  procedure  (as 

shown  in  Figure  1),  the morphology  and  rod‐like 

structure of Cu  ion doped ZnO nanorods were not 

changed obviously (Figure 2a, c and e), while their 

surface  became  less  smooth  (Figure  2b,  d  and  f), 

when compared  to bare ZnO nanorods  (Figure S1, 

ESM). As  the  implantation  doses  increased,  some 

small  pits  could  be  observed  on  ZnO  surfaces 

(Figure 2f). These pits should be formed during the 

high ion flux implantation process, as the surface of 

substrate materials  could  be  somewhat  destroyed 

under  high  fluence.  Ion  implantation  can  lead  to 

damage  in ZnO  and  produce  vacancies. After  the 

post  annealing  treatment,  the  damage was  almost 

recovered  and  the vacancies were  aggregated  into 

voids  (e.g.  small  pits  in  Figure  2f)  in  the  ZnO 

nanorods.   

Figure 3 TEM and HRTEM images of Cu ion doped ZnO

nanorods (implantation dose: 2×1016 ions/cm2). 

Figure  3  shows  the TEM  and HRTEM  images of 

6

Cu  ion  doped  ZnO  nanorods.  The  d‐spacing  of 

lattice  fringes  of  ZnO  nanorod  was  ca.  0.26  nm, 

corresponding  to  the  (002)  planes  of  hexagonal 

ZnO(reference code: 01‐089‐0510) [35]. Nevertheless, 

aggregated  Cu2O  or  CuO  particles  and  lattice 

fringes belong  to copper oxides were not  found  in 

SEM  and  TEM  images,  which  revealed  that  the 

implanted Cu  ions were  highly  dispersed  in ZnO 

crystal. 

3.2 Optical and structural properties   

Figure  4 displays  the UV‐vis absorption  spectra of 

bare ZnO and Cu  ion doped ZnO nanorod arrays. 

The bare ZnO nanorod arrays showed only optical 

absorption  ability  in  ultraviolet  region,  solar  light 

with wavelength  longer  than ca. 390 nm could not 

be  utilized.  After  Cu  ion  implantation,  all  the 

samples  displayed  obvious  optical  absorption 

ability  in  visible  region.  The  absorption  edges 

showed  a  gradual  red  shift  as  the  implantation 

doses  increased.  This  should  be  related  to  the 

impurity levels in the forbidden gap of ZnO created 

by Cu dopant.   

Figure 4 UV-vis absorption spectra of Cu ion doped ZnO

nanorod arrays with the spectrum of bare ZnO nanorod arrays

as a reference.

Figure 5 (a) XRD patterns of various Cu ion doped ZnO

nanorod arrays at different implantation doses with the data of

ZnO nanorod arrays as a reference, and (b) XRD patterns of the

same samples with the diffraction angle (2θ) in the range of 33°

to 37°.

Crystal structures of ZnO and Cu ion doped ZnO 

nanorod  arrays  were  characterized  by  X‐ray 

diffraction (XRD) patterns. As shown in Figure 5, all 

the samples present sharp, narrow and well distinct 

peaks, which  is an  indication of  crystalline nature. 

For either bare ZnO or Cu ion doped ZnO nanorod 

arrays,  six  peaks  arise  at  2θ  =  31.8°,  34.4°,  36.3°, 

47.6°,  62.9°  and  68.0° which  could  be  assigned  to 

(100),  (002),  (101),  (102),  (103)  and  (112)  planes  of 

wurtzite  ZnO  (reference  code:  01‐089‐0510), 

7

respectively  [38].  No  other  peaks  related  to 

impurities  were  detected  in  XRD  patterns, 

indicating that the films were only consisted of bare 

ZnO nanorods or Cu ion doped ZnO nanorods. The 

most  intensive  peak was  observed  at  2θ  =  34.43°, 

corresponding  to  the  (002)  plane,  suggesting  that 

ZnO  nanorods  grow  along  (001)  direction  which 

has  already  been  proved  by  SEM  (Figure  2)  and 

TEM  images  (Figure 3). After Cu  ion  implantation, 

the  XRD  diffraction  intensity  of  (002)  peak 

decreased obviously. From the detailed view of (002) 

diffraction  patterns  shown  in  Figure  5b,  the  peak 

position was  found  to  shift  to  lower  angle, which 

indicated  that Cu+ was  the main dopant  in doped 

ZnO  nanorod  arrays.  Cu  ions  could  exist  at 

different  valence  states  of  +1  and  +2  for  Cu  ion 

doped ZnO nanorod arrays. The radius of Cu+, Cu2+ 

and  Zn2+  ions  were  0.096,  0.072  and  0.074  nm, 

respectively. Because  the diameter  of Cu+  is  larger 

than  that  of  Zn2+  [39],  the  doping  of  Cu+  in  ZnO 

crystal made  the  XRD  peaks  shift  to  lower  angle. 

Furthermore,  for  bare  ZnO,  Cu/ZnO‐1,  Cu/ZnO‐2 

and Cu/ZnO‐3, the (002) diffraction peak displayed 

a  gradual  shift  to  lower  angle,  revealing  that  the 

amount  of Cu+ doped  in ZnO  increased  gradually 

as the implantation doses increased. 

As illustrated in Figure 6, Raman modes observed 

at 436 cm‐1 and 980 cm‐1 are assigned to the E2 (high) 

and  2TO  modes,  respectively.  The  broad  bands 

around  1100  cm−1  should  correspond  to  2LO 

(longitudinal‐optical)  features.  However,  the 

description  is  somewhat  doubtful,  because  this 

mode at 1100 cm−1 can be also observed at  relative 

region for the FTO substrate [38]. For Cu ion doped 

ZnO nanorod arrays, Raman modes at 436 cm‐1 and 

980  cm‐1  were  also  observed,  indicating  wurtzite 

ZnO  crystal  structure  was  not  destroyed  by  ion 

implantation  approach, which matched  well  with 

the  XRD  patterns  (Figure  5).  Except  for  the 

characteristic Raman peaks  (436 cm‐1 and 980 cm‐1) 

for  ZnO,  another  intensive  peak  around  580  cm‐1 

was also obtained  for Cu  ion doped ZnO nanorod 

arrays. This Raman band was assigned to the silent 

B1  (high) mode  [41], which could be resulted  from 

disorder‐activated Raman scattering (DARS) [42]. A 

possible  explanation  for  this  scattering  is  the 

breakdown  of  the  translational  symmetry  of  the 

crystal  structure  caused  by  defects  or  impurities 

formed during ion implantation. The change of the 

translational symmetry  relaxed  the conservation of 

wave vector, and then led to scattering by phonons 

in  the  host  materials  that  have  wave  vectors  far 

from the zone center [41]. Similar phenomenon was 

also  reported  by  Pan  et  al.  [40],  that  additional 

vibration mode at around 580 cm‐1 was observed for 

N  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays.  Furthermore, 

many  other wurtzite materials  such  as  InN, GaN, 

AlN,  and  Al1−xGaxN  showed  disorder‐activated 

Raman  scattering  as  well  [43‐45].  Together  with 

XRD  patterns,  and UV‐vis  absorption  spectra,  the 

Raman  results  indicated  that  Cu  ions  could  be 

doped into ZnO successfully through the advanced 

ion implantation approach. 

 

Figure 6 Raman spectra of bare ZnO and Cu ion doped ZnO

nanorod arrays with different Cu ion implantation doses.

3.3 Chemical states analysis 

X‐ray  photoelectron  spectroscopy  (XPS)  analysis 

was used to study the chemical compositions of Cu 

8

ion  doped  ZnO  nanorod  arrays.  From  the  survey 

scan  XPS  spectra  in  Figure  S2  (ESM),  the  peaks 

corresponding  to  O,  Zn,  Cu  and  adventitious  C 

elements are observed. Figure S3 in ESM shows that 

the  binding  energies  of  Zn  2p3/2  and  2p1/2  levels 

located  at  1021.3  eV  and  1044.6  eV,  respectively, 

which confirms the formation of ZnO crystal phase.   

Figure 7 (a) XPS Cu 2p spectra for Cu ion doped ZnO nanorod

arrays with implantation dose at 2×1016 ions/cm2. (b) XPS

etching profile of Cu/ZnO-3.

To  confirm  the  valence  states  of doped Cu  ions, 

XPS Cu 2p spectra were also investigated (Figure 7). 

Cu 2p1/2 and Cu 2p3/2 peaks can be coherently fitted 

by  two  components  [46,  47].  The  binding  energy 

located at 932.2  eV and 951.8  eV were  contributed 

from Cu+, while those located at 934.3 eV and 953.6 

eV were attributed to Cu2+. Additionally, peak area 

for  Cu+  was  much  larger  than  that  of  Cu2+, 

suggesting Cu+ is the main doped component which 

matched  well  with  the  XRD  results  (Figure  5). 

Figure  S4  and  7b  illustrate  the  distribution  of  Cu 

dopant  as  a  function  of  etching  time  and  etching 

depth  for  Cu  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays 

(taking  Cu/ZnO‐3  as  the  representative  sample). 

This  measurement  was  operated  by  serial  XPS 

measurements  during  controlled Ar+  etching,  and 

the  transition method  from etching  time  to etching 

rate was discussed  in detail in the ESM. According 

to the nature of ion  implantation technique (Figure 

1),  it  is  reasonable  that  the  concentration  of  Cu 

dopant  decreased  gradually  with  the  elongated 

etching  time  (i.e.,  the  increasing  etching  depth). 

Thus, as  shown  in  the  inset of Figure  7b, gradient 

Cu  ion doped ZnO nanorod  arrays were  acquired 

by ion implantation method.

3.4 Photoluminescence properties 

 

Figure 8 PL spectra of bare ZnO and various Cu ion doped

ZnO nanorod arrays. Excitation: 337 nm from a 75 W Xe lamp.

To  study  how  Cu  dopant  influences  the 

luminescence  of  ZnO  nanorod  arrays, 

photoluminescence (PL) spectra were measured for 

Cu  ion doped ZnO nanorod  arrays. Generally,  the 

9

PL  signal  is  resulted  from  the  recombination  of 

photo‐induced  carriers  [48].  Higher  PL  intensity 

means that more photo‐induced electrons and holes 

are recombined, whereas  lower PL  intensity means 

less  recombination  rate of photo‐induced  electrons 

and holes, and hence more photo‐induced  carriers 

could be  involved  in a nonradiative  recombination 

or a photocatalytic reaction.     

In  this  study,  PL  spectra  were  thus  used  to 

investigate  the  recombination  efficiency  of 

photo‐induced  carriers  in  Cu  ion  doped  ZnO 

nanorod arrays. As shown in Figure 8, both of bare 

ZnO  and  Cu  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays 

exhibited  similar  PL  emission  profiles.  One  can 

easily  find  two  PL  signals  for  bare  ZnO  nanorod 

arrays  in  Figure  8:  (1)  an  ultraviolet  emission  at 

about  ca.  380  nm  corresponding  to  the  near  band 

edge (NBE) emission, and (2) another broad orange 

emission at about ca. 590 nm corresponding  to  the 

disperse  energy  levels perhaps  caused by  intrinsic 

defects  such  as  oxygen  vacancies,  zinc  vacancies, 

interstitial  oxygen,  interstitial  zinc  [49].  However, 

the  intensities  of  the  PL  emission  peaks  were 

obviously  decreased  by Cu  ion  doping.  There  are 

perhaps two reasons for the decrease of PL emission 

intensities:  one  is  the  nonradiative  recombination 

which  usually  contains  auger  recombination  and 

multi‐photon recombination [50], resulting from the 

introduced  nonradiative  recombination  centers  by 

the  high  speed  implantation  process;  and  another 

reason  is  that  ion  implanted Cu  ions  can  increase 

the migration of photo‐induced charges, suggesting 

more photo‐induced charges could be transferred to 

the  surface  for  the  PEC  reaction  [51,  52].  In  the 

present  study,  the  first  reason  was  considered  to 

make  the most  contribution  for  the decrease of PL 

emission  intensity.  In  addition,  the  broad  orange 

emission  centered  at  about  ca.  590  nm  in  the  PL 

spectra of Cu/ZnO‐2 and Cu/ZnO‐3 showed slightly 

blue  shift,  which  can  be  attributed  to  the 

recombination of photo‐induced carriers on Cu ions 

induced  impurity  levels.  It was  reported  that  the 

recombination  of  donor–acceptor  pairs  involving 

Zn+ and Cu+ states resulted in a blue‐green emission 

which was centered at around ca. 493 nm  [53, 54]. 

Furthermore,  the  Cu2+‐Cu+  transitions  can  also 

caused a PL emission perk that centered at about ca. 

455 nm, while the hole remains localized on the Cu+ 

center  [53].  The  combination  of  the  inherent  PL 

emission for bare ZnO (centered at ca. 590 nm) and 

doped Cu  ions  (centered at ca. 493 nm and ca. 455 

nm, respectively)  leaded  to  the blue shift of  the PL 

emission spectra for Cu/ZnO‐2 and Cu/ZnO‐3. 

3.5 Energy band diagram 

Figure 9 Proposed microstructure of Cu ion doped ZnO

nanorod and energy band diagram model for Cu ion doped ZnO

nanorod arrays.

Figure  9  shows  the  proposed  microstructure  and 

energy  band  diagram  of  Cu  ion  doped  ZnO 

nanorod  arrays.  In  the  as‐prepared  ZnO  nanorod 

arrays,  zinc  interstitial  (Zni)  is  the most  important 

intrinsic  donor  impurity,  and  stabilizes  in  its  first 

ionized  state of Zni+ with an  energy  level ~ 0.5 eV 

below  the  conduction band of ZnO  [55, 56].  In Cu 

ion doped ZnO nanorod arrays, Cu dopant consists 

of Cu2+  (3  d9)  and Cu+  (3  d10)  states.  The  electron 

energy level of Cu2+ (3 d9) impurity in ZnO crystal is 

situated  at  0.1‐0.19  eV below  the  conduction band 

[57]. Meanwhile, the electron energy level of Cu+ (3 

10

d10) impurity is located at 0.45 eV above the valence 

band  of  ZnO.  Thus,  as  schemed  in  Figure  9,  the 

impurity levels (Cu2+ and Cu+ states) introduced by 

Cu  ion  doping  in  the  forbidden  gap  reduced  the 

band gap of ZnO markedly. As a  result, when  the 

Cu  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays  were 

illuminated  by  visible  light,  electrons  in  valence 

band could be firstly excited to the additional levels 

of Cu dopant and further excited to the conduction 

band  of  ZnO, which means wider  range  of  solar 

light (visible light) can be utilized by Cu ion doped 

ZnO nanorod arrays. 

3.6 Photoelectrochemical (PEC) and electrochemical 

properties 

 

Figure 10 Photocurrent plots of bare ZnO and Cu ion doped

ZnO nanorod arrays. (A solar simulator (100 mW/cm2) with a

filter of 420 nm was used as light sources with applied potential

of 0.8 V, electrolyte: 0.5 M Na2SO4, counter electrode: Pt, and

reference electrode: SCE) 

PEC measurements of bare ZnO and Cu ion doped 

ZnO  nanorod  arrays  under  the  illumination  of 

whole  solar  simulator  spectrum  and  visible  light 

spectrum  (λ  >  420  nm)  were  operated  by  the 

Amperometric  I‐V  (Figure S5 and S6, ESM) and  I‐t 

(Figure  10)  tests  to  evaluate  their  activity  and 

stability  for  PEC  water  splitting.  Under  the 

illumination  of  whole  solar  simulator  spectrum 

(Figure S5, ESM),  the photocurrent densities of Cu 

ion  doped  ZnO  nanorod  arrays  decreased  as 

compared  to  that of bare ZnO nanorod arrays.  Ion 

implantation  process  introduced  surface  or  bulk 

defects  can  act  as  nonradiative  recombination 

centers  for  photogenerated  electron‐hole  pairs 

(corresponding to the PL spectra in Figure 8), which 

in  return  depressed  the  UV‐light‐driven  PEC 

response for Cu ion doped ZnO nanorod arrays.   

Under  the  illumination  of  visible  light  (λ  >  420 

nm),  bare  ZnO  nanorod  arrays  showed  a  little 

photocurrent  density  of  about  1.7  μA/cm2  (Figure 

S6,  ESM),  probably,  resulting  from  the  trailing 

absorption  ability  of  bare ZnO  in  the  visible  light 

region (Uv‐vis spectra in Figure 4). The reasons for 

the  trailing  absorption  ability  of  bare  ZnO  in  the 

visible  light  region  was  still  unclear,  but  it  was 

believed to relate to intrinsic defects such as oxygen 

vacancies,  zinc  vacancies,  oxygen  interstitial,  zinc 

interstitials [49]. Compared with bare ZnO nanorod 

arrays,  significant  improvement  in 

visible‐light‐driven  photocurrent  density  was 

observed  for  Cu  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays 

(Figure  10  and  Figure  S6, ESM), under  the  visible 

light  illumination  (λ > 420 nm). When  the  applied 

potential  was  at  0.8  V  (vs.  SCE),  Cu/ZnO‐1, 

Cu/ZnO‐2  and  Cu/ZnO‐3  achieved  photocurrent 

densities of 7.5 μA/cm2, 9.7 μA/cm2 and 18 μA/cm2, 

respectively, which were  about  4,  6  and  11  times 

higher  than  that  of  bare  ZnO  nanorod  arrays.  A 

more detailed  study  to optimize  the  concentration 

of Cu dopant in ZnO nanorod arrays is currently in 

progress. Although  the PEC  activity  under  visible 

light  is  relatively  low,  this  study proposes  that  ion 

implantation  could  be  an  effective  approach  for 

developing novel visible‐light‐driven photocatalytic 

materials for water splitting. 

Electrochemical  impedance  measurement  was 

also  performed  to  study  the  intrinsic  electronic 

properties of Cu ion doped ZnO nanorod arrays in 

an  electrolyte  solution  (0.5  M  Na2SO4  aqueous 

11

solution).  The  carrier  concentration  and  flat  band 

potential  at  film/electrolyte  interface  could  be 

calculated  by  Mott‐Schottky  equation  shown  as 

below [10]. 

20 0 01/ (2 / )[( ) / ]d FBC e N V V KT e         (1) 

2 10 0(2 / )[ (1 / ) / ]dN e d C dV   (2) 

wherein  C  is  the  capacitance  between  ZnO  and 

electrolyte,  ε  the dielectric  constant of ZnO,  ε0  the 

permittivity of free space, e0 the electron charge, Nd 

the  dopant  concentration, V  the  applied  potential, 

VFB  the  flat  band  potential,  K  the  Boltzmann 

constant and T is the absolute temperature. 

The extrapolation of X intercepts in Mott‐Schottky 

plots (1/C2 vs. V in Equation (1)) was always used to 

evaluate  the  flat band potential of semiconductors. 

For  bare  ZnO  nanorod  arrays,  the  flat  band 

potential  (VFB)  appeared  at  about  ‐0.04  V  (vs. 

Ag/AgCl), whereas  the VFB  for Cu  ion doped ZnO 

nanorod  arrays  showed gradually positive  shift  as 

the implantation doses increased (Figure 11), which 

suggested most Cu dopant acted as acceptor  levels 

located above  the valence band of ZnO  (Figure 9). 

In addition, all the samples showed positive slopes, 

suggesting the nature of n‐type semiconductors for 

both  bare  ZnO  and  Cu  ion  doped  ZnO  nanorod 

arrays. With ε value of 10  for ZnO  [58],  the carrier 

concentrations were  calculated  to  be  3.1×1016  cm‐3, 

6.4×1016 cm‐3, 7.1×1016 cm‐3 and 2.4×1017 cm‐3, for bare 

ZnO,  Cu/ZNO‐1,  Cu/ZnO‐2  and  Cu/ZnO‐3, 

respectively,  from Equation  (2). Although most Cu 

dopants  in as‐prepared ZnO nanorod arrays  acted 

as  acceptor  levels,  Cu  ion  doping  by  the  ion 

implantation  method  can  introduce  oxygen 

vacancies  in ZnO  crystal  [59], which  increased  the 

carrier  concentration  for  Cu  ion  doped  ZnO 

nanorod  arrays.  In  general,  high  carrier 

concentration  is  preferred  for  high  PEC 

performance, as more electrons and holes could be 

utilized  for water  redox  reaction.  Besides,  Cu  ion 

doping  introduced  additional  impurity  levels 

extended the optical absorption edges of ZnO to the 

visible  light region (UV‐vis spectra  in Figure 4 and 

energy diagram  in Figure 9). Thus,  it  is reasonable 

that higher PEC performance were obtained for Cu 

ion doped ZnO nanorod arrays under visible  light 

illumination (λ > 420 nm).   

 

Figure 11 Mott-Schottky measurement of bare ZnO and Cu ion

doped ZnO nanorod arrays. The measurement was performed in

dark (vs. Ag/AgCl) at frequencies of 1 kHz.

Conclusion 

Cu  ion  doped  ZnO  nanorod  arrays  which  can 

operate under  the  illumination of visible  light were 

successfully obtained by ion implantation method. It 

was  revealed  that  Cu+  was  the  main  doping 

component with a small quantity of Cu2+  for  the Cu 

ion doped ZnO nanorod  arrays, which gave  rise  to 

optical absorption ability  in visible  light. Except  for 

extended optical absorption edges, the doping of Cu 

ions was able  to  increase  carrier density, and hence 

considerable  water  splitting  activity  under  visible 

light  (λ  >  420  nm)  was  achieved.  When  the 

implantation dose was at 2×1016 ions/cm2, the Cu ion 

doped  ZnO  nanorod  arrays  achieved  maximum 

photocurrent  density, with  photocurrent  density  at 

0.8 V (vs. SCE) to be 18 μA/cm2, 11 times higher than 

bare  ZnO  nanorod  arrays.  Although,  the  PEC 

performance  is  still  low,  and  far  from  the  critical 

12

conversion  efficiency  for  practical  applications  of 

solar water  splitting  for  hydrogen  production,  this 

study  presents  a  feasible  approach  for  developing 

novel  visible‐light‐driven  photocatalysts  or 

photoanodes. 

Acknowledgements 

The  authors  gratefully  acknowledge  the  financial 

support of  the National Natural Science Foundation 

of China  (no.  51102194, no.  51121092),  the Doctoral 

Program  of  the  Ministry  of  Education  (no. 

20110201120040) and the Nano Research Program of 

Suzhou City  (ZXG2013003). S. Shen  is supported by 

the Foundation for the Author of National Excellent 

Doctoral Dissertation of P. R. China (No. 201335) and 

the  “Fundamental  Research  Funds  for  the  Central 

Universities”.  

Electronic Supplementary Material: Supplementary 

material  (SEM  images of bare ZnO nanorod arrays, 

Survey‐scan  XPS  spectra  of  Cu/ZnO‐2,  XPS  Zn  2p 

spectra of Cu/ZnO‐3 and  I‐V plots of bare ZnO and 

Cu/ZnO‐1)  is  available  in  the online version of  this 

article at http://dx.doi.org/10.1007/s12274‐***‐****‐*   

References 

[1] Tian, Z. R.; Voigt, J. A.; Liu, J.; McKenzie, B.; McDermott,

M. J.; Rodriguez, M. A.; Konishi, H.; Xu, H. Complex and

oriented ZnO nanostructures. Nat. Mater. 2003, 2, 821-826.

[2] Lakshmi, B. B.; Dorhout, P. K.; Martin, C. R. Sol−gel

template synthesis of semiconductor nanostructures. Chem.

Mater. 1997, 9, 857-862.

[3] Sakthivel, S.; Neppolian, B.; Shankar, M. V.; Arabindoo,

B.; Palanichamy, M.; Murugesan, V. Solar photocatalytic

degradation of Azo dye: Comparison of photocatalytic

efficiency of ZnO and TiO2. Sol. Energy Mater. Sol. Cells

2003, 77, 65-82.

[4] Yang, J. L.; An, S. J.; Park, W. I.; Yi, G. C.; Choi, W.

Photocatalysis using ZnO thin films and nanoneedles

grown by metal–organic chemical vapor deposition. Adv.

Mater. 2004, 16, 1661-1664.

[5] Wu, J.-J.; Tseng, C.-H. Photocatalytic properties of

nc-Au/ZnO nanorod composites. Appl. Catal. B 2006, 66,

51-57.

[6] Mansilla, H. D.; Villasenor, J.; Maturana, G.; Baeza, J.;

Freer, J.; Duran, N. ZnO-catalyzed photodegradation of

kraft black liquor. J. Photochem. Photobiol. A 1994, 78,

267-273.

[7] Gu, L.; Zheng, K.; Zhou, Y.; Li, J.; Mo, X.; Patzke, G. R.;

Chen, G. Humidity sensors based on ZnO/TiO2 core/shell

nanorod arrays with enhanced sensitivity. Sens. Actuat. B

2011, 159, 1-7.

[8] Akpan, U. G.; Hameed, B. H. The advancements in sol–gel

method of doped-TiO2 photocatalysts. Appl. Catal. A 2010,

375, 1-11.

[9] Das, S. C.; Green, R. J.; Podder, J.; Regier, T. Z.; Chang, G.

S.; Moewes, A. Band gap tuning in ZnO through Ni doping

via spray pyrolysis. J. Phys. Chem. C 2013, 117,

12745-12753.

[10] Yang, X.; Wolcott, A.; Wang, G.; Sobo, A.; Fitzmorris, R.

C.; Qian, F.; Zhang, J. Z.; Li, Y. Nitrogen-doped ZnO

nanowire arrays for photoelectrochemical water splitting.

Nano. Lett. 2009, 9, 2331-2336.

[11] Law, M.; Greene, L. E.; Johnson, J. C.; Saykally, R.; Yang,

P. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nat. Mater. 2005, 4,

455-459.

[12] Huang, K.-C.; Chang, Y.-H.; Chen, C.-Y.; Liu, C.-Y.; Lin,

L.-Y.; Vittal, R.; Wu, C.-G.; Lin, K.-F.; Ho, K.-C.

Improved exchange reaction in an ionic liquid electrolyte

of a quasi-solid-state dye-sensitized solar cell by using

15-crown-5-functionalized MWCNT. J. Mater. Chem.

2011, 21, 18467-18474.

[13] Scho ̈lin, R.; Quintana, M. a.; Johansson, E. M. J.; Hahlin,

M.; Marinado, T.; Hagfeldt, A.; Rensmo, H. K. Preventing

dye aggregation on ZnO by adding water in the

dye-sensitization process. J. Phys. Chem. C 2011, 115,

19274-19279.

[14] Leschkies, K. S.; Divakar, R.; Basu, J.; Enache-Pommer,

E.; Boercker, J. E.; Carter, C. B.; Kortshagen, U. R.; Norris,

D. J.; Aydil, E. S. Photosensitization of ZnO nanowires

with CdSe quantum dots for photovoltaic devices. Nano.

Lett. 2007, 7, 1793-1798.

[15] Tang, Y.; Hu, X.; Chen, M.; Luo, L.; Li, B.; Zhang, L.

CdSe nanocrystal sensitized ZnO core-shell nanorod array

films: Preparation and photovoltaic properties. Electrochim.

13

Acta 2009, 54, 2742-2747.

[16] Bang, J. H.; Kamat, P. V. Quantum dot sensitized solar

cells. A tale of two semiconductor nanocrystals: CdSe and

CdTe. ACS Nano 2009, 3, 1467-1476.

[17] Chouhan, N.; Yeh, C. L.; Hu, S. F.; Huang, J. H.; Tsai, C.

W.; Liu, R. S.; Chang, W. S.; Chen, K. H. Array of CdSe

QD-sensitized ZnO nanorods serves as photoanode for

water splitting. J. Electrochem. Soc. 2010, 157,

B1430-B1433.

[18] Wang, X.; Zhu, H.; Xu, Y.; Wang, H.; Tao, Y.; Hark, S.;

Xiao, X.; Li, Q. Aligned ZnO/CdTe core-shell nanocable

arrays on indium tin oxide: Synthesis and

photoelectrochemical properties. ACS Nano 2010, 4,

3302-3308.

[19] Tanabe, I.; Tatsuma, T. Plasmonic manipulation of color

and morphology of single silver nanospheres. Nano. Lett.

2012, 12, 5418-5421.

[20] Rycenga, M.; Cobley, C. M.; Zeng, J.; Li, W.; Moran, C.

H.; Zhang, Q.; Qin, D.; Xia, Y. Controlling the synthesis

and assembly of silver nanostructures for plasmonic

applications. Chem. Rev. 2011, 111, 3669-3712.

[21] Burlacov, I.; Jirkovský, J.; Müller, M.; Heimann, R. B.

Induction plasma-sprayed photocatalytically active titania

coatings and their characterisation by micro-raman

spectroscopy. Surf. Coat. Technol. 2006, 201, 255-264.

[22] Himanshu, N.; Hailemichael, A.; Lebohang, M.; Madhavi,

T.; Rao, T. K. G. Synthesis and characterization of

Y3+-doped TiO2 nanocomposites for photocatalytic

applications. Nanotechnol. 2009, 20, 255601.

[23] Jayakumar, O. D.; Salunke, H. G.; Kadam, R. M.;

Mohapatra, M.; Yaswant, G.; Kulshreshtha, S. K.

Magnetism in Mn-doped ZnO nanoparticles prepared by a

co-precipitation method. Nanotechnol. 2006, 17,

1278-1285.

[24] Ba-Abbad, M. M.; Kadhum, A. A. H.; Mohamad, A.;

Takriff, M. S.; Sopian, K. Visible light photocatalytic

activity of Fe3+-doped ZnO nanoparticle prepared via

sol-gel technique. Chemosphere 2013, 91, 1604-1611.

[25] Yates, H. M.; Nolan, M. G.; Sheel, D. W.; Pemble, M. E.

The role of nitrogen doping on the development of visible

light-induced photocatalytic activity in thin TiO2 films

grown on glass by chemical vapour deposition. J.

Photochem. Photobiol. A 2006, 179, 213-223.

[26] Fragala, M. E.; Cacciotti, I.; Aleeva, Y.; Lo Nigro, R.;

Bianco, A.; Malandrino, G.; Spinella, C.; Pezzotti, G.;

Gusmano, G. Core-shell Zn-doped TiO2-ZnO nanofibers

fabricated via a combination of electrospinning and

metal-organic chemical vapour deposition. CrystEngComm

2010, 12, 3858-3865.

[27] Bhirud, A. P.; Sathaye, S. D.; Waichal, R. P.; Nikam, L. K.;

Kale, B. B. An eco-friendly, highly stable and efficient

nanostructured p-type N-doped ZnO photocatalyst for

environmentally benign solar hydrogen production. Green

Chem. 2012, 14, 2790-2798.

[28] Ni, M.; Leung, M. K. H.; Leung, D. Y. C.; Sumathy, K. A

review and recent developments in photocatalytic

water-splitting using for hydrogen production. Renew. Sust.

Energy Rev. 2007, 11, 401-425.

[29] Ghicov, A.; Macak, J. M.; Tsuchiya, H.; Kunze, J.;

Haeublein, V.; Frey, L.; Schmuki, P. Ion implantation and

annealing for an efficient N-doping of TiO2 nanotubes.

Nano Lett. 2006, 6, 1080-1082.

[30] Ghicov, A.; Macak, J. M.; Tsuchiya, H.; Kunze, J.;

Haeublein, V.; Kleber, S.; Schmuki, P. TiO2 nanotube

layers: Dose effects during nitrogen doping by ion

implantation. Chem. Phys. Lett. 2006, 419, 426-429.

[31] Zhou, J.; Takeuchi, M.; Ray, A. K.; Anpo, M.; Zhao, X. S.

Enhancement of photocatalytic activity of P25 TiO2 by

vanadium-ion implantation under visible light irradiation. J.

Colloid Interface Sci. 2007, 311, 497-501.

[32] Anpo, M. The design and development of highly reactive

titanium oxide photocatalysts operating under visible light

irradiation. J. Catal. 2003, 216, 505-516.

[33] Takeuchi, M.; Sakai, S.; Matsuoka, M.; Anpo, M.

Preparation of the visible light responsive TiO2 thin film

photocatalysts by the RF magnetron sputtering deposition

method. Res. Chem. Intermed. 2009, 35, 973-983.

[34] Greene, L. E.; Law, M.; Goldberger, J.; Kim, F.; Johnson, J.

C.; Zhang, Y.; Saykally, R. J.; Yang, P. Low-temperature

wafer-scale production of ZnO nanowire arrays. Angew.

Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3031-3034.

[35] Wang, M.; Jiang, J.; Liu, G.; Shi, J.; Guo, L. Controllable

synthesis of double layered tubular CdSe/ZnO arrays and

their photoelectrochemical performance for hydrogen

14

production. Appl. Catal. B 2013, 138-139, 304-310.

[36] Ren, F.; Zhou, X. D.; Liu, Y. C.; Wang, Y. Q..; Cai, G. X.;

Xiao, X. H.; Dai, Z. G.; Li, W. Q.; Yan, S. J.; Wu, W.;

Zhang, C.; Ni, H. W.; Jiang, C. Z. Fabrication and

properties of TiO2 nanofilms on different substrates by a

novel and universal method of Ti-ion implantation and

subsequent annealing. Nanotechnol. 2013, 24, 255603.

[37] Ren, F.; Jiang, C.; Liu, C.; Wang, J.; Oku, T. Controlling

the morphology of Ag nanoclusters by ion implantation to

different doses and subsequent annealing. Phys. Rev. Lett.

2006, 97, 165501.

[38] Yang, F.; Ma, S.; Zhang, X.; Zhang, M.; Li, F.; Liu, J.;

Zhao, Q. Blue–green and red luminescence from

ZnO/porous silicon and ZnO:Cu/porous silicon

nanocomposite films. Superlattices Microstruct. 2012, 52,

210-220.

[39] Shen, S.; Kronawitter, C. X.; Jiang, J.; Guo, P.; Guo, L.;

Mao, S. S. A ZnO/ZnO:Cr isostructural nanojunction

electrode for photoelectrochemical water splitting. Nano

Energy 2013, 2, 958-965.

[40] Kaschner, A.; Haboeck, U.; Strassburg, M.; Strassburg, M.;

Kaczmarczyk, G.; Hoffmann, A.; Thomsen, C.; Zeuner, A.;

Alves, H. R.; Hofmann, D. M. et al. Nitrogen-related local

vibrational modes in ZnO:N. Appl. Phys. Lett. 2002, 80,

1909.

[41] Manjón, F. J.; Marí, B.; Serrano, J.; Romero, A. H. Silent

raman modes in zinc oxide and related nitrides. J. Appl.

Phys. 2005, 97, 053516.

[42] Serrano, J.; Manjón, F. J.; Romero, A. H.; Widulle, F.;

Lauck, R.; Cardona, M. Dispersive phonon linewidths: The

e_{2} phonons of ZnO. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 055510.

[43] Tütüncü, H. M.; Srivastava, G. P.; Duman, S. Lattice

dynamics of the zinc-blende and wurtzite phases of nitrides.

Phys. B: 2002, 316–317, 190-194.

[44] Demangeot, F.; Groenen, J.; Frandon, J.; Renucci, M. A.;

Briot, O.; Clur, S.; Aulombard, R. L. Coupling of GaN-

and AlN-like longitudinal optic phonons in Ga1−xAlxN

solid solutions. Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 2674.

[45] Wang, L. S.; Tripathy, S.; Sun, W. H.; Chua, S. J.

Micro-Raman spectroscopy of Ai-, C-, Mg- and

Be-implanted GaN layers. J. Raman Spectrosc. 2004, 35,

73-77.

[46] Shuai, M.; Liao, L.; Lu, H. B.; Zhang, L.; Li, J. C.; Fu, D. J.

Room-temperature ferromagnetism in Cu+ implanted ZnO

nanowires. J. Phys. D 2008, 41, 135010.

[47] Kulkarni, G. U.; Rao, C. N. R. EXAFS and XPS

investigations of Cu/ZnO catalysts and their interaction

with Co and methanol. Top. Catal. 2003, 22, 183-189.

[48] Liqiang, J.; Yichun, Q.; Baiqi, W.; Shudan, L.; Baojiang, J.;

Libin, Y.; Wei, F.; Honggang, F.; Jiazhong, S. Review of

photoluminescence performance of nano-sized

semiconductor materials and its relationships with

photocatalytic activity. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2006,

90, 1773-1787.

[49] Guo, P.; Jiang, J.; Shen, S.; Guo, L. ZnS/ZnO

heterojunction as photoelectrode: Type II band alignment

towards enhanced photoelectrochemical performance. Int.

J. Hydrogen Energy 2013, 38, 13097-13103.

[50] Wang, X. B.; Song, C.; Geng, K. W.; Zeng, F.; Pan, F.

Photoluminescence and Raman scattering of Cu-doped

ZnO films prepared by magnetron sputtering. Appl. Surf.

Sci. 2007, 253, 6905-6909.

[51] Shen, S.; Jiang, J.; Guo, P.; Kronawitter, C. X.; Mao, S. S.;

Guo, L. Effect of Cr doping on the photoelectrochemical

performance of hematite nanorod photoanodes. Nano

Energy 2012, 1, 732-741.

[52] Shen, S.; Kronawitter, C. X.; Jiang, J.; Mao, S. S.; Guo, L.

Surface tuning for promoted charge transfer in hematite

nanorod arrays as water-splitting photoanodes. Nano Res.

2012, 5, 327-336.

[53] Kouklin, N. Cu-doped ZnO nanowires for efficient and

multispectral photodetection applications. Adv. Mater.

2008, 20, 2190-2194.

[54] Garces, N. Y.; Wang, L.; Bai, L.; Giles, N. C.; Halliburton,

L. E.; Cantwell, G. Role of copper in the green

luminescence from ZnO crystals. Appl. Phys. Lett. 2002,

81, 622-624.

[55] Samanta, K.; Arora, A. K.; Katiyar, R. S. Impurity induced

bond-softening and defect states in ZnO:Cu. J. Appl. Phys.

2011, 110, 043523.

[56] Ghosh, A.; Ghule, A.; Sharma, R. Effect of Cu doping on

LPG sensing properties of soft chemically grown

nano-structured ZnO thin film. J. Phys.: Conf. Ser. 2012,

365, 012022.

15

[57] Song, D. M.; Wang, T. H.; Li, J. C. First principles study

of periodic size dependent band gap variation of Cu doped

ZnO single-wall nanotube. J. Mol. Model. 2012, 18,

5035-5040.

[58] Mora-Sero, I.; Fabregat-Santiago, F.; Denier, B.; Bisquert,

J.; Tena-Zaera, R.; Elias, J.; Levy-Clement, C.

Determination of carrier density of ZnO nanowires by

electrochemical techniques. Appl. Phys. Lett. 2006, 89,

203117.

[59] Xing, G. Z.; Yi, J. B.; Tao, J. G.; Liu, T.; Wong, L. M.;

Zhang, Z.; Li, G. P.; Wang, S. J.; Ding, J.; Sum, T. C.

Comparative study of room-temperature ferromagnetism in

Cu-doped ZnO nanowires enhanced by structural

inhomogeneity. Adv. Mater. 2008, 20, 3521-3527.