Исследование состава, структуры, оптических свойств и радиационной стойкости порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO2 | Известия вузов. Физика. 2022. № 7. DOI: 10.17223/00213411/65/7/127

ГлавнаяАрхивИсследование состава, структуры, оптических свойств и радиационной стойкости порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO2 | Известия вузов. Физика. 2022. № 7. DOI: 10.17223/00213411/65/7/127

Исследование состава, структуры, оптических свойств и радиационной стойкости порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO2

Исследовали состав, структуру, спектры диффузного отражения в области 0.3-2.2 мкм и в ИК-области и радиационную стойкость при облучении электронами с энергией 30 кэВ в диапазоне флюенсов до 9·1016 см-2 порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO2. Установлено, что после модифицирования и облучения новых соединений не образуется, в ИК-спектрах интенсивность некоторых полос уменьшается, отражательная способность уменьшается в диапазоне от 0.4 до 2.2 мкм. Появляется полоса поглощения в видимой области с максимумом при 420 нм, обусловленная собственными точечными дефектами ZnO, ее интенсивность увеличивается с ростом флюенса электронов. В ближней ИК-области после облучения появляется наведенное поглощение, обусловленное свободными электронами. Сравнение с немодифицированным порошком ZnO показало эффективность модифицирования для увеличения радиационной стойкости.

Study of the composition, structure, optical properties and radiation stability of ZnO powder modified with SiO2 Введение За весь период освоения космического пространства, начиная с 1957-1958 гг. и до настоящего времени, в США, СССР, Китае, Японии, в Европейском центре космических исследований и в других странах порошки оксида цинка используются как наиболее технологичные и стойкие к облучению пигменты терморегулирующих покрытий (ТРП) класса «оптический солнечный отражатель» космических аппаратов. Кроме того, в последние годы оксид цинка исследуют для применения в качестве фотопреобразователей солнечных батарей. Поэтому представляют научный интерес и практическую значимость исследования, посвященные увеличению его фото- и радиационной стойкости. Одним из наиболее перспективных для этих целей способов могут быть модифицирования оксидных порошков наночастицами различных соединений. Как показали полученные к настоящему времени результаты, наиболее эффективными являются наночастицы диоксида кремния при оптимальной концентрации 3 мас.% [1]. Цель настоящей работы - исследование влияния модифицирования наночастицами SiO2 на структуру, оптические свойства и радиационную стойкость порошка ZnO при облучении электронами с энергией 30 кэВ. Методика эксперимента Объектом исследования служили промышленно производимые микропорошки оксида цинка квалификации ОСЧ 14-2. Для модифицирования использован нанопорошок диоксида кремния со средним размером частиц 10-12 нм. Модифицирование осуществляли твердотельным способом при температуре прогрева смесей микро- и нанопрошков 650 °С в течение 2 ч. Рентгенограммы записывали дифрактометром XRD-6100 («Shimadzu», Япония). Спектры диффузного отражения (ρλ) в ИК-диапазоне (от 400 до 4000 см-1) записывали ИК-фурье-спектрометром Shimadzu IRTracer-100 с приставкой диффузного отражения DRS-8000A. Регистрацию спектров диффузного отражения в области 0.2-2.2 мкм в вакууме на месте облучения (in situ) и облучение образцов осуществляли в установке-имитаторе условий космического пространства «Спектр» [2]. Расчет интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (аs) осуществляли по методике Джонсона [3] в соответствии с международными стандартами [4, 5]. Экспериментальные результаты и их обсуждение Из рентгенограммы (рис. 1) следует, что модифицированный микропорошок (nZnO) содержит только одну фазу - оксид цинка структурного типа вюрцит P63mc. Анализ рентгенограмм после облучения показал, что дополнительных фаз не образуется, существенных структурных изменений не происходит. На рис. 2 представлены ИК-спектры порошка nZnO исходного и модифицированного 3 мас.% наночастиц SiO2. Для сравнения интенсивности пиков ИК-спектры были нормированы по пику максимальной интенсивности при 514 см-1. Максимальную интенсивность в ИК-спектрах имеет полоса при 420-620 см-1, которая относится к решеточным колебаниям Zn-O [6]. Широкая полоса в диапазоне волновых чисел от 620 до 1200 см-1 обусловлена колебаниями связей Zn-O на поверхности порошка (800-1200 см-1 [7]), многофононными колебаниями решетки ZnO (700-1100 см-1 [8]), деформационными колебаниями связей Zn-O-H (833-850 см-1 [9]). Валентные колебания адсорбированного на поверхности CO2 приводят к возникновению малоинтенсивной полосы при 1360-1450 см-1 [10, 11]. Полоса малой интенсивности с двумя максимумами при 2325-2360 см-1 обусловлена колебаниями диоксида углерода [12]. Рис. 1. Рентгенограмма порошка nZnO Рис. 2. ИК-спектры порошка nZnO до (1) и после (2) облучения электронами Полосы в диапазоне от 2400 до 3700 см-1 относят к валентным колебаниям гидроксильных групп: поверхностным (3400-3700 см-1 [8, 9, 12]), связанным с вакансией цинка (3216, 3228 см-1 [11]), связанным водородной связью с кислородом (3400 см-1 [7]). В области волновых чисел от 610 до 1440 см-1 имеются полосы, характерные для колебаний диоксида кремния [12-15], который был добавлен в исходный порошок оксида цинка при модифицировании: колебания мостикового кислорода Si-O-Si (460, 810 и 1110 см-1), валентные симметричные колебания Si-Si (615 см-1), скручивающие колебания SiO2 (805 см-1), валентные симметричные колебания Si-ОН (970 см-1). При облучении наблюдается снижение интенсивности широкой полосы 650-1400 см-1. Спектры ρλ порошка nZnO до и после облучения электронами представлены на рис. 3. Край основного поглощения в исходных спектрах модифицированного оксида цинка соответствует длине волны 375 нм. До облучения коэффициент отражения в области от 500 до 1200 нм превышает 90%, с увеличением длины волны до 2200 нм плавно снижается до 75%. В разностных спектрах диффузного отражения (Δρλ) при облучении электронами (рис. 4) регистрируется полоса поглощения с максимумом при 420 нм, которая определяется собственными точечными дефектами оксида цинка (вакансии и междоузельные ионы цинка и кислорода в различном зарядовом состоянии), увеличивающееся с ростом длины волны поглощение в области 800-2200 нм - свободными электронами, ОН-радикалами и хемосорбированными газами [16]. Рис. 3. Спектры ρλ модифицированного 3 мас.% наночастиц SiO2 порошка ZnO до (1) и после облучения флюенсом электронов с энергией 30 кэВ: 5•1015 (2); 1.5•1016 (3); 3•1016 (4); 5•1016 (5); 7•1016 (6) и 9•1016 (7) Рис. 4. Спектры ∆ρλ после облучения модифицированного 3 мас.% наночастиц SiO2 порошка ZnO флюенсом электронов с энергией 30 кэВ: 5•1015 (1); 1.5•1016 (2); 3•1016 (3); 5•1016 (4); 7•1016 (5) и 9•1016 (6) Рабочей характеристикой терморегулирующих покрытий, в которых порошок nZnO используется в качестве основной составляющей (до 75 мас.%), является интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения. Его расчеты по методике [3] с использованием международных стандартов [4, 5] показали, что коэффициент поглощения аs модифицированного порошка nZnO до облучения равен 0.138. При облучении он увеличивается и при максимальном значении флюенса, равном 9•1016см-2, составляет 0.054. Зависимость значений коэффициентов аs и Δаs от флюенса электронов приведена в таблице. Зависимости коэффициента поглощения аs и его изменений после облучения электронами Δаs от флюенса электронов порошка nZnO Электроны 30 кэВ Ф •1016, см-2 0 0.5 1.5 3 5 7 9 as 0.138 0.151 0.160 0.166 0.174 0.183 0.192 Δas - 0.013 0.022 0.028 0.036 0.045 0.054 Полученные значения показывают, что в исходном состоянии модифицированный порошок имеет коэффициент поглощения аs = 0.138, который после облучения электронами с энергией 30 кэВ флюенсом до 9•1016 см-2 увеличивается на 0.054. Заключение Выполненные исследования показали, что после модифицирования наночастицами SiO2 структура порошка ZnO не изменяется и новых соединений не образуется. Это указывает на сорбционный характер взаимодействия наночастиц с образованием слоев на поверхности микрочастиц. Облучение электронами также не приводит к изменению состава и структуры микропорошка. При этом в спектрах наведенного поглощения регистрируется полоса в видимой области, что свидетельствует об образовании собственных точечных дефектов. Увеличивающееся с ростом длины волны поглощение в ближней ИК-области обусловлено образованием свободных электронов, концентрация которых возрастает с увеличением флюенса ускоренных электронов. Модифицированный порошок обладает высокой отражательной способностью в солнечном диапазоне спектра, малым значением интегрального коэффициента поглощения и большей его стабильностью при облучении электронами по сравнению с немодифицированным порошком.

Ключевые слова

порошки, оксид цинка, модифицирование, наночастицы, облучение, оптические свойства

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Михайлов Михаил МихайловичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией ТУСУРаmembrana2010@mail.ru
Лапин Алексей НиколаевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникик.т.н., ст. науч. сотр. ТУСУРаalexey_nl@sibmail.com
Юрьев Семен АлександровичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникик.т.н., ст. науч. сотр. ТУСУРаyusalek@gmail.com
Мазуренко Екатерина ЕвгеньевнаТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникимл. науч. сотр. ТУСУРаmese98.98@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Neshchimenko V., Li C., Mikhailov M., Lv J. // Nanoscale. - 2018. - V. 10 (47). - P. 22335-22347.
Kositsyn L.G., Mikhailov M.M., Kuznetsov N.Y., Dvoretskii M.I. // Instrum. Exp. Tech. - 1985. - V. 28. - P. 929-932.
Johnson F.S. //j. Meteorol. - 1954. - V. 11. - No. 6. - P. 431-439.
ASTM E490-00a Standard Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Tables. - 2019.
ASTM E903-96 Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres. - 2005.
Воробьева Н.А. Нанокристаллический ZnO (M) (M = Ga, In) для газовых сенсоров и прозрачных электродов: дис.. к.х.н. - М., 2015. - 180 c.
Davydov A. Molecular Spectroscopy of Oxide Catalyst Surfaces. - Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2003. - 641 p.
Boccuzzi F., Morterra C., Scala R., Zecchina A. //j. Chem. Soc., Faraday Trans. II. - 1981. - V. 77. - P. 2059-2066.
Boccuzzi F., Borello E., Zecchina A., et al. //j. Catalysis. - 1978. - V. 51. - P. 150-159.
Saussey J., Lavalley J.-C., Bovet C. //j. Chem. Soc., Faraday Trans. I. - 1982. - V. 78. - P. 1457-1463.
Keyes B.M., Gedvilas L.M., Li X., Coutts T.J. //j. Cryst. Growth. - 2005. - V. 281. - P. 297-302.
Борило Л.П. Синтез и физико-химические закономерности формирования золь-гель методом тонкопленочных и дисперсных наноматериалов оксидных систем элементов III-V групп: дис. … д.х.н. - Томск, 2003. - 286 c.
Lange P. //j. Appl. Phys. - 1989. - V. 66. - No. 1. - P. 201-204.
Ильвес В.Г., Зуев М.Г., Соковнин С.Ю., Мурзакаев А.М. // ФТТ. - 2015. - Т. 57. - № 12. - C. 2439-2445.
Аверин И.А., Карманов А.А., Мошников В.А. и др. // ФТТ. - 2015. - Т. 57. - № 12. - C. 16-24.
Mikhailov M.M., Verevkin A.S. //j. Mater. Res. - 2004. - V. 19. - No. 2. - P. 535-541.
Исследование состава, структуры, оптических свойств и радиационной стойкости порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO<sub>2</sub> | Известия вузов. Физика. 2022. № 7. DOI: 10.17223/00213411/65/7/127

Исследование состава, структуры, оптических свойств и радиационной стойкости порошка ZnO, модифицированного наночастицами SiO2 | Известия вузов. Физика. 2022. № 7. DOI: 10.17223/00213411/65/7/127