СИНТЕЗ ТА ВЛАСТИВОСТІ НАНОСТРУКТУР ОКСИДУ ЦИНКУ, ІНКОРПОРОВАНИХ У КРЕМНЕЗЕМНІ ТОНКІ ПЛІВКИ - PDF

Description
УДК Бараболя Т. Ф., Тельбіз Г. М. СИНТЕЗ ТА ВЛАСТИВОСТІ НАНОСТРУКТУР ОКСИДУ ЦИНКУ, ІНКОРПОРОВАНИХ У КРЕМНЕЗЕМНІ ТОНКІ ПЛІВКИ Методами сублімації, просочування та золь-гель синтезу одержано композитні

Please download to get full document.

View again

of 5
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Business

Publish on:

Views: 19 | Pages: 5

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
УДК Бараболя Т. Ф., Тельбіз Г. М. СИНТЕЗ ТА ВЛАСТИВОСТІ НАНОСТРУКТУР ОКСИДУ ЦИНКУ, ІНКОРПОРОВАНИХ У КРЕМНЕЗЕМНІ ТОНКІ ПЛІВКИ Методами сублімації, просочування та золь-гель синтезу одержано композитні матеріали на основі наноструктур оксиду цинку та мезопористих кремнеземних плівок. Наявність оксиду цинку в матрицях підтверджено методом інфрачервоної спектроскопії. Досліджено спектральні та люмінесцентні властивості нанокомпозитів, розраховано ширину забороненої зони оксиду цинку. Показано, що варіюванням методів отримання нанокомпозитів можна регулювати їхні оптичні характеристики. Ключові слова: наноструктури оксиду цинку, нанокомпозити, мезопористі кремнеземні тонкі плівки, квантово-розмірний ефект, люмінесценція. Вступ Останнім часом у матеріалознавстві значно зростає інтерес до розроблення методів одержання нанокомпозитів, які порівняно зі своїми об ємними аналогами виявляють поліпшені властивості. Низькотемпературні хімічні методи синтезу таких матеріалів є більш перспективними, оскільки вони, на відміну від фізичних, потребують менших енергозатрат і надають можливість структурного дизайну наночасток при їх інкорпоруванні до упорядкованих матриць [1]. Значну увагу при цьому привертають напівпровідникові матеріали, особливо оксид цинку (ZnO), наноструктури якого виявляють люмінесценцію переважно в ультрафіолетовій ділянці спектру. Морфологічна різноманітність наноструктур ZnO сприяє його застосуванню в різних галузях: для створення світлодіодів, світловипромінювальних гнучких дисплеїв, складових частин сонячних елементів тощо 2; 3. ZnO за своїми оптичними і структурними характеристиками є повним аналогом широко застосовуваного галійнітриду, проте значно переважає його за простішою технологією одержання, доступністю, безпечністю і стабільністю при застосуванні 4 Як матриці для синтезу напівпровідникових нанокомпозитів використовують різноманітні пористі матеріали, такі як одностінні вуглецеві нанотрубки, цеоліти, трекові полімерні та алюмінієві мембрани, а також структуровані мезопористі кремнеземи. Застосування просторововпорядкованих мезопористих кремнеземних структур відкриває нові можливості для синтезу ефективних функціональних нанокомпозитів, у яких наноструктури характеризуються високою дисперсністю і вузьким розподілом за розміром. Перевагами використання впорядкованих кремнеземних матриць як нанореакторів є наявність впорядкованої гексагональної або кубічної пористої структури, значна питома площа поверхні, високі термічна, хімічна та механічна стійкість, оптична прозорість [5]. Створення на основі цих матеріалів мезопористих тонких плівок повинно ще більше розширити можливості їхнього застосування [3]. Канальна структура і шорсткість поверхні кремнеземних плівкових матриць можуть бути використані для одержання композитів з наноструктурами ZnO, архітектура яких залежатиме від геометрії пор і величини шорсткості поверхні. В роботі розглянуто оптичні та фізико-хімічні властивості нанокомпозитів на основі мезоструктурного кремнезему і наноструктур ZnO, одержаних методами просочування та сублімації прекурсорів ZnO на зовнішній і внутрішній поверхні кремнеземних матриць, а також золь-ґель синтезом у їхній канальній структурі. Експериментальна частина Серію зразків тонких кремнеземних плівок SBA/15 синтезували за допомогою темплатного золь-гель синтезу та нанесенням їх на скляну підкладку методом spin-coating за розробленою методикою 6. Методика синтезу. У склянці змішали 3,4 мл дистильованої води, 0,125 мл НCl (37 %) і 30 мл етанолу; до одержаного розчину додали 4,64 мл тетраетоксисилану та 2 год. перемішували при 60 С. Потім цей розчин краплинами додали до поверхнево-активної речовини Pluronic (блоккополімеру поліоксиетилену та поліоксипропілену марки F 127), попередньо розчинивши 1,575 г цієї речовини у 4 мл етанолу. Утворений золь залишили на 3 год. для старіння. Методика формування плівок методом spincoating. 40 мл отриманого розчину нанесли на Бараболя Т. Ф., Тельбіз Г. М., 2012 Бараболя Т. Ф., Тельбіз Г. М. Синтез та властивості наноструктур оксиду цинку, інкорпорованих у кремнеземні тонкі плівки 61 підкладку скляну пластинку, що закріплена в спеціальному приладі (spin-coater), накрили покришкою та розкручували зі швидкістю 14 (2040 об./хв) протягом 1 хв. За такої швидкості розчин рівномірно розподіляється по поверхні підкладки, а розчинник випаровується. Товщина готової плівки становить 200 нм, а розмір пор, сформованих при подальшому видаленні ПАР прожарюванням плівок протягом 3 год. при температурі 350 С, 6 15 нм. Наноструктури ZnО у порах тонких плівок синтезували методами сублімації, просочування та двома способами золь-гель (золевого) методу. Для методу сублімації використали удосконалену нами методику, яка була розроблену українськими науковцями А. О. Ковальчуком та Г. Ю. Рудько 7. 0,06 г цинкацетилацетонату (Zn(асас) 2 ) перенесли у керамічну посудину, над ним помістили плівку таким чином, щоб при суб лімації речовина могла потрапити у пори цієї плівки, та нагрівали протягом 2 діб у муфельній печі при температурі 95 С. Після температурної обробки зразок залишили в ексикаторі з водяною парою на одну добу, а потім протягом 6 год. випалювали при температурі 550 С (підвищуючи температуру щохвилини на 5 С протягом 106 хв) для видалення органічних залишків і формування оксиду. Просочування здійснювали за методикою, описаною в уже згаданій статті 7. Для цього 0,25 г Zn(асас) 2 за допомогою ультразвуку розчинили в 15 мл етанолу. До ємності з утвореним розчином внесли плівку та просочували її протягом 2 год. при перемішуванні. Технологічний режим процесу відпалювання був таким самим, як і для методу сублімації. Синтез наноструктур ZnО першим способом золь-гель методу виконували за методикою, описаною дослідником Б. Лакшмі 8. До 0,35 г цинк ацетату (Zn(Аc) 2 ) долили 20 мл 96 % етанолу та кип ятили на водяній бані за наявності зворотного холодильника до того часу, поки розчин не став прозорим, а над розчином утворився білий осад. Після охолодження для здійснення гідролізу у реакційну ємність додали 0,06 г твердого літійгідроксиду (LiOН). На отриманий розчин разом з осадом діяли ультразвуком до повного розчинення осаду. Далі в розчин занурили мезопористу плівку і тривалий час просочували її при перемішуванні за допомогою магнітної мішалки. Зразок плівки висушили в муфельній печі протягом 2 год. при 120 С (підвищуючи температуру щохвилини на 5 С протягом 20 хв), після чого прожарювали при температурі 550 С протягом 6 год (підвищуючи температуру щохвилини на 5 С протягом 106 хв). Синтез другим способом золь-гель методу, суть якого полягає у повільній подачі реаґенту при низькій температурі, виконували за методикою, описаною Д. Бахнеманом. Для цього 18,4 мг Zn(Аc) 2 за допомогою ультразвуку розчинили в 45 мл абсолютизованого етанолу. Окремо зважили 6,51 мг натрійгідроксиду (NaOН) і розчинили в 5 мл абсолютизованого етанолу. Розчин помістили у крапельну лійку з переливом, оснащену з другого боку хлоркальцієвою трубкою для запобігання поглинання розчинником вологи з повітря. Розчин Zn(Ас) 2 перелили у тригорлий лабораторний реактор, до якого під єднали крапельну лійку з розчином NaOН, термометр і зворотний холодильник. Реактор помістили у ємність, наповнену льодом і NaCl для забезпечення температури реакції близько 0 С. Потім відкрили кран лійки з переливом настільки, щоб забезпечити повільну подачу розчину в реакційне середовище. Після того, як весь розчин NaOН перенесли у розчин Zn(Ас) 2, суміш у реакторі протягом 2 год. повільно перемішували на водяній бані при температурі 60 С. Зразок кремнеземної плівки помістили в ємність із готовим колоїдним розчином і витримували в ньому протягом 14 год., після чого висушували в муфельній печі 2 год. при 120 С (підвищуючи температуру щохвилини на 5 С протягом 20 хв) та прожарювали при температурі 550 С протягом 6 год. (підвищуючи температуру щохвилини на 5 С протягом 106 хв). Для підтвердження утворення ZnO на поверхні пористих матриць використали метод інфрачервоної спектроскопії (ІЧ) з використанням Фур є перетворення. Для дослідження оптичних і люмінесцентних властивостей застосували методи УФ-видимої спектрометрії та люмінесцентної спектроскопії. Результати та їх обговорення За результатами дослідження зразків методом ІЧ-спектроскопії з використанням Фур є перетворення було встановлено наявність у матрицях частинок ZnO, і відповідно й оцінено ефективність методик синтезу нанокомпозитів. Найбільш показовий із спектрів, які є досить подібними один до одного, наведено на рис. 1. Показники найважливіших смуг коливань зв язків наведено у табл. 1. Таблиця 1. Показники смуг ІЧ коливань зв язків у нанокомпозитах ZnO Частота, см -1 Тип коливання 3100 H-O-H 1578 HO-H 1436,90 Si-O- 1101,29 Si-O- 501,69 Zn-O- 62 НАУКОВІ ЗАПИСКИ НаУКМА. Том 131. Хімічні науки і технології Рис. 1. Диференційний ІЧ Фур є-спектр нанокомпозиту оксиду цинку На графіках продемонстровано, що в порах матриці внаслідок неповного їх заповнення залишилась певна кількість сорбованої води. Про це свідчать смуги коливання зв язків молекул води при 3100 см -1 і 1578 см -1. Смуги з частотою см -1 відповідають деформаційним і валентним коливанням матеріалу самої кремнеземної матриці. Завдяки використанню такого математичного прийому, як Фур є перетворення, вдається зафіксувати коливання зв язку -Zn-Oна частоті 501,69 см -1. За допомогою методу УФ-видимої спектрометрії дослідили оптичні властивості нанокомпозитів в ультрафіолетовій та видимій ділянках спектра електромагнітного випромінювання. Отримані спектри наведено на рис. 2 та 3. Рис. 2. Нормалізовані спектри поглинання нанокомпозитів ZnO, синтезованих методами: 1 просочування; 2 сублімації; 3 золь-гель з LiOH Рис. 3. Нормалізований спектр поглинання нанокомпозиту ZnO, синтезованого золь-ґель методом з NaOH На УФ спектрах ZnO, отриманого сублімацією та золевим методом із застосуванням LiОН спостерігаємо чіткі краї смуг оптичного поглинання і їх гіпсохромний зсув до 370 нм, що свідчить про виявлення оксидом цинку квантоворозмірного ефекту. Криві на УФ спектрах нанокомпозитів ZnO, отриманих методами просочення та золь-гель методом з використанням NaОН не мають чітких країв смуг поглинання, проте вирізняються вищою інтенсивністю поглинання, особливо отримані золь-гель методом з використанням NaОН. Це можна пояснити формуванням переважної кількості ZnO у вигляді нанодротів. Однією з основних характеристик напівпровідникового матеріалу є ширина забороненої зони, яку можна розрахувати за краєм смуги УФ поглинання для зразків оксиду цинку, синте- Бараболя Т. Ф., Тельбіз Г. М. Синтез та властивості наноструктур оксиду цинку, інкорпорованих у кремнеземні тонкі плівки 63 зованих за допомогою сублімації та золевого методу з LiОН, використовуючи таку формулу : ΔЕ = hc / λ 0, тобто ΔЕ = 4, / 3, = 3,35 (ев), де h стала Планка, що становить 4, ев с; с швидкість поширення світла, що дорівнює м/с; λ 0 довжина хвилі, що відповідає краю смуги поглинання. Отримане значення ширини забороненої зони 3,35 ев близьке, але нижче від наведених показників для ZnO в літературі (зазвичай 3,37 ев). Тому, зважаючи на зміну напівпровідникових властивостей, варто очікуват
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks