合成、表征和增加氮浓度对氧化锌纳米粒子的生长

文摘

高度结晶的氧化锌纳米颗粒采用共沉淀方法合成了醋酸锌的反应与氢氧化铵尿素获得n型氧化锌纳米粒子的存在。x射线衍射研究表明晶体的形成六角氮结合氧化锌。SEM结果表明quasi-spherical粒子的形态与90 nm的平均大小。紫外可见,光致发光进行了检查合成纳米颗粒的发光行为。红外光谱研究进行了信息不同的债券。我们的研究表明,与尿素的浓度的增加不仅氮掺杂氧化锌纳米颗粒,也它就像一个覆盖剂通过降低粒径与浓度的增加。

关键字

氧化锌,纳米颗粒

介绍

纳米科学和纳米技术已经取得了显著的进步,它们对各个领域的影响一直是世界上真正的承认。纳米技术涉及此事的操纵纳米和分子尺度感知关注半导体微型化,光学和电子设备1,2]。的独特性能之一纳米材料,电子和空穴的运动在半导体纳米材料主要是由著名的量子限制和声子、光子传输特性的主要影响的大小和几何形状的材料(3- - - - - -6]。极大的增加比表面积和表面体积比为材料的大小减少3,7]。等参数大小、形状和表面特征可以变化来控制他们感兴趣的属性不同的应用程序(8]。

半导体纳米晶体(nc)可以从各种不同的合成化合物。他们被称为族化合物,III-V或IV-VI半导体纳米晶体,基于这些元素周期表群体中形成。例如,硅和锗是第四组,可使,甘,差距,砷化镓,差距,和ina III-V,虽然这些cd, CdSe,氧化锌,硫化锌,CdTe族化合物半导体。

氧化锌纳米纳米粒子是一个非常有趣的材料,因为他们的精彩应用建设的电子、光学和声学设备(9]。氧化锌是一种半导体材料直接宽的带隙能量(3.37 eV)和一个大激子结合能(60 meV)在室温下(10]。由于这种纳米氧化锌发现在自旋电子学中的应用由于其铁磁特性进而取决于晶界在掺杂氧化锌11,12]。由于其卓越的性能在电子、光学、光子学、氧化锌NPs等许多应用程序的有吸引力的候选人紫外激光、发光二极管、太阳能电池,纳米发电机,气体传感器,打光检测器,催化剂和照片13- - - - - -19]。

制备氧化锌纳米颗粒的各种方法进行了调查,如溶胶-凝胶过程(20.,21)、化学共沉淀(22,23),化学汽相淀积(24],热分解[25,26),水热合成27[],固态反应28],喷雾热解法[29日),和微乳液降水30.- - - - - -32]。这些方法允许我们获得各种氧化锌结构如纳米球、纳米棒、纳米线和纳米管。

在氧化锌NP合成多数研究人员利用溶胶凝胶的方法。纳米晶氧化锌具有不同颗粒形状和大小是由水热合成方法(33]。.Nano水晶氧化锌,锌2-ethylhexanoate (ZEH)和ZEH浓度的影响进行了研究[34]。研究显示使用阳离子表面活性剂CTAB(溴化cetyltrimethylammonium)控制不仅在合成微晶的生长和成核,也阻止了团聚体的形成(35]。利用表面活性剂乳化方法作用跨度80年研究了氧化锌NPs (36]。微晶核的氧化锌各种形状(包括形式近似大米谷物,坚果和棒)的十二烷基硫酸钠(SDS)和三乙醇胺(茶)阳离子表面活性剂(37]。薄层氧化锌的制备使用脉冲激光沉积,在压力下温度对结构和光学性能的影响确定(38]。微波加热的影响前体用于氧化锌的形貌和聚合39]。氧化铝(阳极氧化铝)辅助合成的有序氧化锌纳米管了(40]。通过化学合成pH影响氧化锌粒子的大小和形状是证明(41]。霍尔效应在合成纳米异质结(p-ZnO / n-Si)的广泛应用,是机器、场效应管等电子线路(42]。三个路线通过乳液、微乳液和化学沉淀与合成表面活性剂(阳离子、阴离子或非离子)(43]。n型,p型氧化锌薄膜已经增长了plasma-assisted有机化学气相沉积方法确定供体/受体能源水平(44]。掺杂物的公司或与其他材料复合,形成氧化锌的照片催化性质可以增强[45]。

在我们的研究中,我们合成高度结晶氧化锌纳米粒子使用共同沉淀的方法。氮对粒径的增长的影响是检查。不同的描述工具,如x射线衍射,扫描电镜,DLS,红外光谱,紫外可见,光致发光进行了了解粒子大小、形态、不同的债券和合成纳米颗粒的发光行为。研究表明晶体的形成六角氮结合氧化锌与quasispherical粒子的平均尺寸90纳米合成。在合成后反应进行。

准备氧化锌通过化学途径,有两个阶段,可以归类为初始和脱水阶段。

氢氧化初始阶段:最初,锌形成如下考虑:

锌(3号)2。6水+ 2氢氧化钠=锌(OH) 2(凝胶)+ 2 nano3 + 6 h2o

脱水阶段:以下反应(2)发生在脱水阶段:

锌(OH) 2(凝胶)=氧化锌(s) + H2O

实验部分

六水合硝酸锌(锌(没有₃)26小时₂O)采购从西格玛奥德里奇和氢氧化钠(氢氧化钠)和尿素氮()(CH₄N₂O)是从HIMEDIA采购的。所有的化学品被用于分析品位和没有进一步净化。在整个实验中使用去离子水。

氧化锌纳米颗粒是由共同沉淀的方法。一卷50毫升0.1六水合硝酸锌前驱溶液制备在剧烈搅拌下20分钟。25毫升0.2 M氢氧化钠的水溶液加入50毫升下降明智的锌盐前体溶液在不断搅拌,反应持续了40分钟,产生白色沉淀。此后,解决方案是允许接受3 h,粒子悬浮被转移到使离心管和接受离心法在3000转10分钟。在每个离心,改变了反应介质用蒸馏水和乙醇和三次重复。然后,沉淀在室温下干了一夜。为了研究尿素(氮)(CH的影响₄N₂O)氧化锌纳米颗粒的形成,尿素的浓度(氮)(CH₄N₂O不一从0.2、0.3米和0.4 M .影响粒子的大小与氮浓度的增加。纳米结构的晶体结构和相分析研究了用x射线衍射仪(力量推进R8) 2 q的角范围从20到80°。大小的决心是动态光散射(莫尔文S90)。研究了纳米粒子的表面形态分析使用FE-SEM (Merlin-Compact)。各种债券之间无掺杂和掺杂氮氧化锌纳米颗粒被红外光谱检测(力量α)。紫外可见吸收光谱的所有样本记录使用紫外可见分光光度计(Schimadzu uv - 2600)。光致发光发射光谱被记录在光致发光(EdinburInstrumentsFLS 980) (图1)。

结果与讨论

傅里叶变换红外光谱学

傅里叶变换红外光谱学使官能团的信息附加到材料。图2无掺杂氧化锌峰值在3390厘米¹显示了Zn-O债券的吸收。在1391年达到顶峰,1579厘米¹非对称和对称拉伸锌羧基由于C = O、地弯曲振动。达到882厘米¹显示了羧基和羟基杂质。达到676厘米¹显示Zn-O债券峰值。图30.2米,氮掺杂氧化锌。在3855年达到顶峰,3747厘米¹由于伸缩振动地显示羟基。达到2969厘米¹显示碳氢键的伸缩振动烷烃。在1744年达到顶峰,1522厘米¹显示不对称和对称拉伸的锌羧基由于C = O,地弯曲振动。达到1052厘米¹显示了羧基和羟基杂质。特征的红外光谱光谱没有呈现任何尿素的乐队,在3210厘米¹。图4高峰在3742厘米¹由于伸缩振动地显示羟基。高峰在1393、1522和1694厘米¹显示不对称和对称拉伸的锌羧基由于C = O,地弯曲振动。达到896厘米¹显示了羧基和羟基杂质。达到669厘米¹显示Zn-O债券峰值。图5中,达到3740厘米¹由于伸缩振动地显示羟基。高峰在1396、1541和1638厘米¹显示不对称和对称拉伸的锌羧基由于C = O,地弯曲振动。达到911厘米¹显示了羧基和羟基杂质。

DLS和电动电位分析

动态光散射(DLS)基于激光衍射方法与多个散射技术是用来研究氧化锌纳米颗粒的平均粒径。它是基于米氏散射理论。无掺杂氧化锌纳米颗粒的大小是349.1海里图6掺杂氧化锌纳米颗粒的大小和掺杂氮0.2米是325.2海里图7,0.3是127.1海里图8和0.4是96.77海里图9。

紫外可见光谱

紫外可见光谱显示了光子的能量吸收系数的依赖氧化锌纳米颗粒。从这个图很明显,吸收系数服从直接方程比间接方程。的光学直接带隙的公式计算高压= 1240 /ƛ3.31 eV。这些结果清楚地表明,氮浓度的增加导致吸收光谱蓝移。这可能是由于粒子的大小变化与氮浓度。随着氮浓度的增加从0.2米到0.4米,有一个带隙的增加。这也表明,增加浓度1米可以让我们得到更多的带隙和增强发光

观察到的紫外可见光谱氮掺杂氧化锌由于量子限制显示蓝移。在371.3纳米氧化锌无掺杂是观察到的紫外可见区域。现在,随着掺杂的氮峰蓝移观察到由于量子限制(图10)。

峰观察到0.2 M氮掺杂是369.1海里图11和带隙3.35 eV。

峰观察到0.3 M氮掺杂是367.4海里图12和带隙3.37 eV。

峰观察到0.4 M氮掺杂是364.7海里图13和带隙3.40 eV。

x射线衍射

图14代表了x射线衍射的氧化锌的技术模式。一个明确的谱线增宽的XRD峰表明准备的材料由粒子在纳米尺度范围内。从这个x射线衍射模式分析,我们确定峰值强度、位置和宽度,宽屏在半峰(应用数据。衍射峰位于31.86°,34.44°、36.31°、47.65°、56.70°、62.87°、66.46°、68.04°,和69.19°这些线分别索引(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)和对应的六角纤锌矿型阶段氧化锌已经敏锐地索引一个敏锐地索引与六角纤锌矿型阶段的氧化锌晶格常数a = b = 0.324 nm和c = 0.521 nm(省交通厅卡号:36 - 1451),进一步也证实了杂质的合成技术是免费的,因为它不包含任何特征x射线衍射峰氧化锌的山峰。合成氧化锌纳米颗粒直径是使用德拜谢乐公式计算

d = 0.89λ/βcosθ,

0.89在哪里谢乐常数,x射线的波长λ,布喇格衍射角θ,β是半峰全宽(应用)的衍射峰对应于飞机(101)。样品的平均粒度被发现350海里来源于应用更强烈的峰值对应于(101)飞机位于36.31°用谢乐公式。

图15代表了x射线衍射的氧化锌的技术模式。一个明确的谱线增宽的XRD峰表明准备的材料由粒子在纳米尺度范围内。从这个x射线衍射模式分析,我们确定峰值强度、位置和宽度,宽屏在半峰(应用数据。衍射峰位于31.85°,34.46°、36.28°、47.56°、56.66°、62.91°、66.41°、68.00°,和69.16°这些线分别索引(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)和对应的六角纤锌矿型阶段N掺杂氧化锌已经敏锐地索引一个敏锐地索引与六角纤锌矿型阶段N掺杂氧化锌晶格常数a = b = 0.324 nm和c = 0.521 nm(省交通厅卡号:36 - 1451),进一步也证实了杂质的合成技术是免费的,因为它不包含任何特征x射线衍射峰除了N掺杂氧化锌峰值。合成N掺杂氧化锌纳米颗粒直径是使用德拜谢乐公式计算。没有额外的峰观察由于氮的光谱,因此剩余的发生或复合/复杂的氮,氮也排除了N掺杂氧化锌材料准备。在这种背景下,完善,晶格畸变由于缺陷(空缺、插播、替换、当地结构转换等)可能导致x射线衍射峰位置的变化取决于类型的水晶即应变。拉伸或压缩应变峰值位置变化分别向更高或更低的角度。因为N的离子半径(r_N^{2 +}= 1.46)大于O (r_O^{2 +}= 1.38),N取代O在氧化锌晶格可能导致拉伸应变随着微晶大小的扩张。因此,我们得出这样的结论:N掺杂氧化锌晶格通过峰值位置明显转向更高的角,然而,由于N掺杂氧化锌晶格扩张后不会增加0.2(2%)掺杂浓度。类似于(101)峰的位置变化,变化在扩大峰也会注意到图15。自高峰扩大反映了微晶尺寸的改变,似乎与N掺杂微晶尺寸也在改变。然而,晶格常数的变化是观察从0.2 M (2%) N掺杂,它不会改变在0.3(3%)和0.3 (4%)。,0.89在哪里谢乐常数,x射线的波长λ,布喇格衍射角θ,β是半峰全宽(应用)的衍射峰对应于飞机(101)。样品的平均粒度被发现90海里来源于应用更强烈的峰值对应于(101)飞机位于36.28°用谢乐公式。

扫描电子显微镜

形态和粒度测定无掺杂和氮掺杂氧化锌纳米结构进行了研究。图16表明,圆形和球形形状的纳米颗粒合成。氮掺杂氧化锌的平均大小是纯的发现是90海里而350海里(图17)。高度结晶的纳米颗粒的形成和XRD研究是平行的。

光致发光

光致发光(PL)、氧化锌纳米颗粒的性质,是有趣的,因为它提供了有价值的信息材料的纯度和质量。图18和19显示了室温(RT)氧化锌的光致发光光谱纯的和氮掺杂纳米粒子由硝酸锌的波长范围450 - 700 nm。图18氧化锌显示了发射光谱样本,450海里的激发下。在光谱中,有四个发射带。发射乐队氧化锌无掺杂在可见区域可以观察到的峰值在474海里,530 nm、556 nm和620 nm。光致发光的氧化锌无掺杂纳米颗粒在474纳米范围(2.61 eV)发光在蓝色区域是由于固有的缺陷,如氧和锌插页式广告,530海里(2.33 eV)和556海里(2.23 eV)发光在绿色区域引起的杂质,在晶体结构缺陷如氧气空位,锌插页式广告等和620海里(1.99 eV)发光红色区域由于氧气和锌anti-sites。图19氮掺杂氧化锌的光致发光显示了发射光谱样本,在海里的激发。在光谱中,有四个发射带。排放的氮掺杂氧化锌在可见区域可以观察到一个高峰在495海里,551 nm、575 nm和660 nm。光致发光的氮掺杂氧化锌纳米颗粒在495海里(2.50 eV)和551海里(2.25 eV)发光在绿色区域引起的杂质,在晶体结构缺陷如氧气空位,锌插页式广告,等,575海里(2.15 eV)发光的黄色区域和660海里(1.87 eV)发光红色区域由于氧气和锌anti-sites。绿色带发射对应于单电离氧气空位在氧化锌纳米颗粒和过剩氧的大部分表面上看,这可能是氢氧根离子的形式和结果photo-generated洞单电离电荷复合的这一缺陷。疲软的绿色排放也意味着很少有氧化锌纳米颗粒的表面缺陷。

优化和大小确定校准

由不同的特征和大小确定工具,晶莹剔透,随着浓度的增加相应的氧化锌纳米颗粒的大小减少。所以我们已经证明了合成过程的校准曲线至少找出最小大小的氧化锌纳米粒子与增加氮的浓度的影响。在图表示粒度w.r.t.浓度为0.2,0.3,0.4掺杂氮浓度325137、96 nm大小和合成曲线遵循回归获得R²= 0.98与粒子的大小确定以下方程y = x 17.514 - 1.787

,可以说,外加1米氮浓度可以17合成的纳米粒子根据我们打算的合成方法。

结论

高度结晶的氧化锌纳米颗粒被共同沉淀合成方法。在这工作,试图调整大小的氧化锌纳米颗粒通过控制生长参数如掺杂氮的浓度。样品的x射线衍射分析证实了六角wurtize阶段。FE-SEM显微图显示,纳米粒子的形态与掺杂浓度增加quasispherical氮减少大小是观察。氧化锌无掺杂和掺杂纳米颗粒的大小分析了动态光散射(DLS)发现在50 - 300纳米的范围。由于量子限制蓝移是散装观察到的紫外可见光谱研究观察到374.5纳米光学能隙由应用Tauc方程约等于3.31 eV。红外光谱显示了羧酸盐和羟基浓度增加的样本规模较小,表明他们可能是近地表杂质。相信这些表面羧基和羟基作为初级无辐射复合中心杂质photo-excited价电子的弛豫过程中我们的样品。不同掺杂物和核心壳纳米粒子可以进一步使用增强合成纳米材料的属性。

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