Investigation of the structural, optical and electrical characterization of FeO-doped-ZnO nanoparticles.pdf Введение Наночастицы (НЧ) представляют большой научный и технологический интерес не только из-за их оптических, каталитических и электрических свойств, но также из-за того, что некоторые из их специфических физических свойств отличаются от свойств соответствующего объемного мате-риала [1-5]. Наночастицы изучаются либо в виде массивов, либо в виде отдельных частиц в раз-личных научных приложениях, таких как усовершенствованные солнечные элементы [6, 7], хими-ческие (био) сенсоры [8], медицинское лечение и диагностика [9]. Среди доступных наноматериа-лов полупроводниковые наночастицы составляют большой класс, представляющий научный инте-рес благодаря своим полезным свойствам и применению в различных областях биомедицины [10, 11], биологии [12, 13]. Наночастицы из оксидов металлов считаются одним из наиболее известных и широко используемых материалов благодаря их разнообразным характеристикам и функцио-нальным возможностям. Наночастицы оксида цинка (ZnO) проявляют хорошую активность и ста-бильность при облучении как в кислой, так и в основной атмосфере. Однако в виде чистого ZnO они проявляют низкую фотокаталитическую активность даже при ультрафиолетовом облучении из-за своей широкой запрещенной зоны (3.37 эВ) [14]. Для повыше-ния этой активности необходимо соединить ZnO с другим полупроводником с меньшей запре-щенной зоной. Оксид железа (FeO) представляет собой полупроводник p-типа с небольшой за-прещенной зоной (2.2 эВ), а их соединение с ZnO приводит к образованию гетеропереходов. Фо-тогенерированные электроны ZnO легко мигрируют в FeO, что приводит к усилению фотокатали-тической активности. Физические, оптические и химические свойства ZnO и FeO делают получае-мые наночастицы отличными кандидатами для использования в гетерогенных каталитических приложениях, датчиках, фотоприемниках и ультрафиолетовых приложениях. Кроме того, исполь-зование наночастиц ZnO открывает перспективную технологию для снижения загрязнения окру-жающей среды. Цель данного исследования - синтез наночастиц ZnO, легированных FeO, и анализ их струк-турных, оптических и электрических свойств. Приводится подробный обзор метода, за которым следует обсуждение полученных структурных, оптических и электрических свойств образцов NPS FeO-ZnO. Материалы и методы Фотокатализаторы ZnO, легированные FeO, были получены простым совместным осаждением с использованием золь-гель-метода при нанесении покрытия погружением, который является про-стым, требующим небольшого набора оборудования и широко используемым [15]. Стеклянные подложки были приготовлены размером 5×2.5 см, а затем очищены соляной кислотой (HCI, кон-центрация 5%) на водяной бане в течение 30 мин. Иногда образцы очищали дистиллированной во-дой и этанолом (чистота 99%) перед сушкой потоком водорода. Для осаждения хлорид цинка (ZnСl2, 99%) смешивали с хлоридом железа (FeCl3) (при 0, 0.03, 0.05%) в высокоочищенной дистиллированной воде магнитным смесителем в течение 2 ч для дос-тижения полной растворимости. Стеклянные подложки были помещены на нагреватель, при этом температура постепенно повышалась от 300 до 500 К. Для получения хорошей толщины подго-товленных тонких пленок было проведено три этапа нанесения покрытия. По окончании тонкие пленки постепенно охлаждали, а затем отжигали при температуре 800 К в течение 2 ч. Результаты и их обсуждение Структурные свойства Для анализа структурных характеристик образцов ZnO, легированных FeO, применялся метод рентгеновской дифракции. Использовался медный катод с длиной волны λ = 1.54178 Å, ток 0.1 мА, напряжение 35 кВ и угол поворота 2θ в диапазоне 20-80° со сдвигом 0.1o каждые 10 с. На рис. 1 показано, что инкорпорация FeO к ионам ZnO приводит к заметному снижению относи-тельной интенсивности всех рентгеновских пиков. Рис. 1. Рентгеновская дифракционная картина (XRD) наночастиц ZnO, легированных FeO Кроме того, рентгеновские пики указывают на их расширение с увеличением процента леги-рования FeO в пленках ZnO. Оценка размера кристаллитов D может быть получена из уравнения Шеррера [8]: (1) где K = 0.94 - постоянная Шеррера; λ - длина волны излучения; β - ширина на высоте половины пика рентгеновской линии; θ - угол дифракции. Результаты рентгенографии представлены в табл. 1. Таблица 1 Относительная интенсивность рентгеновских пиков и размера кристаллитов Пик Размер кристаллитов, нм 100 002 101 ZnO, легированных FeO (0%) 25.81 23.57 26.79 ZnO, легированных FeO (3%) 22.37 21.49 24.35 ZnO, легированных FeO (5%) 20.65 19.72 21.13 Оптические свойства Для анализа оптических свойств полученных тонких пленок ZnO использовали ультрафиоле-товый спектрофотометр (WIN5-SPERTROPHOTO METER). Спектры пленок, содержащих наноча-стицы ZnO, легированные FeO, были изучены в диапазоне длин волн 300-800 нм. На рис. 2 представлены спектры полученных тонких пленок, нанесенных на стеклянные подложки. Не-сложно видеть сдвиг пика в спектрах, что соответствует присутствию как ZnO, так и FeO. Кроме того, увеличение толщины тонкой пленки приводит к изменению высоты пика в соответствии с законом Ампера следующим образом: (2) где I - интенсивность света на пленке; - интенсивность падающего света; α - коэффициент по-глощения. Как видно, наблюдается снижение поглощения, которое коррелирует с косвенными пе-реходами между валентной зоной и зоной проводимости, как указано в уравнении Люси: (3) Здесь α - коэффициент поглощения; hν - энергия падающего фотона; Eg - полоса энергии; B - по-стоянная, которая задана как (4) где E0 - начальная энергия; n - показатель преломления; - электропроводность при температу-ре абсолютного нуля. Кроме того, энергетическая щель была получена с использованием выраже-ния (5) Энергетическая щель подготовленных тонких пленок представлена в табл. 2. Наблюдается, что энергетическая щель максимальна для чистых тонких пленок. Однако с уменьшением чистоты образца обнаруживается уменьшение величины энергетической щели. Таблица 2 Энергетическая щель подготовленных тонких пленок Образец Eg ZnO, легированных FeO (0%) 3.14 ZnO, легированных FeO (3%) 2.90 ZnO, легированных FeO (5%) 2.72 Рис. 2. Спектры полученных тонких пленок, нанесенных на стеклянные подложки Электрические свойства Зависимость электропроводности от температуры тонких пленок ZnO, легированных FeO, была проанализирована с использованием следующего уравнения: (6) где ρ - удельное сопротивление; T - температура; Для обсуждения электропроводности исследовалась взаимосвязь между удельным сопротив-лением и температурой для тонких пленок ZnO, легированных (5%) FeO при трех различных элек-трических потенциалах (5, 10 и 15 В). Результаты показаны на рис. 3. Видно, что с повышением температуры удельное сопротивление пленок уменьшается для всего диапазона выбранных на-пряжений. Рис. 3. Сопротивление в зависимости от тем-пературы тонких пленок ZnO, легированных (5%) FeO, при трех различных электрических потенциалах (5, 10 и 15 В) На рис. 4 показана зависимость между сопротивлением и инверсией температуры при трех выбранных напряжениях (5, 10 и 15 В). Рис. 4. Соотношение между ln(R) и 1/Т тонких пленок ZnO, легированных (5%) FeO, при трех различных электрических потенциалах (5, 10 и 15 В) Несложно увидеть линейную зависимость между ln(R) и 1/T. Энергия активации для различ-ных электрических потенциалов может быть получена из наклона ln(R) и 1/T, что показано в табл. 3. Таблица 3 Энергия активации и β при различных электрических потенциалах V, В 5 10 15 β 10875 10745 10305 Ea 0.8831 0.8567 0.8393 Заключение Исследованы свойства тонких пленок ZnO, легированных FeO (при концентрациях 0, 3 и 5%). Анализ структурных свойств, соответствующих размеру кристаллитов в тонких пленках, подтвердил наличие наноструктуры в полученных тонких пленках. Кроме того, спектр поглоще-ния тонких пленок показывает, что увеличение содержания используемого FeO приводит к увели-чению ширины пика спектра поглощения. Обнаружено также, что удельное сопротивление тонких пленок обратно пропорционально температуре. Наконец, была исследована энергия активации при различных дифференциальных потенциалах и наблюдалось уменьшение энергии активации с уве-личением напряжения.

Скачать электронную версию публикации