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酸化亜鉛ナノ構造は炭素によってフォトルミネッセンスを強化

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Jul 03, 2023

酸化亜鉛ナノ構造は炭素によってフォトルミネッセンスを強化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9704 (2023) この記事を引用 523 アクセス メトリクスの詳細 ZnO/カーボン ブラック ヘテロ構造は、ゾルゲル法を使用して合成され、次の方法で結晶化されました。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9704 (2023) この記事を引用

523 アクセス

メトリクスの詳細

ZnO/カーボンブラックヘテロ構造はゾルゲル法を使用して合成され、500℃、2×10−2Torrで10分間アニールすることによって結晶化されました。 結晶構造と結合振動モードは、XRD、HRTEM、およびラマン分光法によって決定されました。 それらの表面形態はFESEMによって観察されました。 HRTEM 画像で観察されるモアレ パターンは、カーボン ブラック ナノ粒子が ZnO 結晶で覆われていることを確認します。 光吸収率の測定により、バースタイン・モス効果により、カーボンブラックナノ粒子含有量が0から8.33×10−3モルに増加するにつれて、ZnO/カーボンブラックヘテロ構造の光学バンドギャップが2.33eVから2.98eVに増加することが明らかになった。 カーボンブラック含有量が 2.03 × 10−3 mol の場合、近バンド端でのフォトルミネッセンス強度と紫色光および青色光のフォトルミネッセンス強度は、それぞれ約 68.3、62.8、および 56.8 倍増加しました。 この研究は、適切なカーボン ブラック ナノ粒子含有量が短波長域での ZnO 結晶の PL 強度を増加させ、発光デバイスへの応用の可能性を裏付けることを明らかにしました。

酸化亜鉛は、その n 型半導体特性、広いバンドギャップ (3.3 eV) 5、高い励起子結合エネルギー (60 meV) により、発光デバイス 1、光触媒 2、ガスセンサー 3、太陽電池 4 での使用に有望な材料です。 5、環境への優しさ6、低コスト、および高い物理的および化学的安定性7。 Sb8、Ga9、Cu10、Gd11、Li12 の元素と、RGO/ZnO2、Ag/ZnO6、ZnO/グラフェン 13、Si/ZnO14、In2O3–ZnO15、MoS2@ZnO16 などのヘテロ構造をドーピングする 2 つの方法が可能です。 ZnO による発光を修正および改善するために使用されます。 ZnO ナノ構造を合成する最も一般的な手段には、ゾルゲル 6、熱水熱 17、マイクロ波水熱 18、熱化学蒸着 (CVD)8、およびパルスレーザーアブレーション (PLA)19 法が含まれます。 上で述べたように、ゾルゲル法と熱 CVD 法は、ZnO ナノ構造を合成するための最も一般的で簡単かつ効率的な方法です。 カーボンブラックはグラファイトと同様の結晶構造を持っていますが、三次元的で秩序性が低いです。 カーボンブラックの炭素層は互いに平行ですが、低次性を示し、多くの場合、乱層構造を備えた同心円状の層になります20。 カーボンブラックは、導電性が高く、比表面積が大きく、安定性21、低コストであり、天然に豊富に存在します22。 したがって、炭素充填剤 22、金属触媒の補強材および支持材 21、リチウムイオン電池 23、生体材料 24、燃料電池 25、光触媒 26、太陽電池 27、酸素還元電極触媒 28、およびゴム化合物 29 に使用できる可能性があります。

金属/半導体、半導体/金属、半導体/半導体ヘテロ構造などのヘテロ構造は、定常状態での接続材料間のバンド構造の再構成によって決定される方法で、半導体のフォトルミネッセンス特性を変更するのに役立ちます。 王ら。 V2O5@Pt ナノ構造が λ = 466 nm でフォトルミネッセンス強度の向上を示したことを報告しました30。 王ら。 RGO@ZnO ナノ構造がバンド端近くの発光で強度が向上したことを報告しました 2。 ラジャス・ロペスら。 MoS2/hBN/SiO2 は 1.85 eV の発光エネルギーでフォトルミネッセンス強度が向上したことを発見しました 31。 チーら。 NiFe/ZnO が λ = 414 nm で強度が増加したフォトルミネッセンスを示すことを明らかにしました 32。 およびカンダサミーら。 MoS2/グラフェンは、λ = 690 nm および 430 nm でフォトルミネッセンスが増強されることを発見しました 33。 前述のカーボンブラックの特性、ZnO の潜在的な用途、ヘテロ構造の有用な特性に基づいて、ここではゾルゲル法と熱 CVD プロセスを使用して ZnO/カーボンブラックのヘテロ構造を作製し、その効果を調べました。 ZnO結晶構造上のカーボンブラックナノ粒子含有量とフォトルミネッセンス特性が体系的に研究されました。 ZnO/カーボンブラックヘテロ構造のサンプル名は、ZC0、ZC1、ZC2、ZC3、ZC4 で示されます。これは、カーボンブラック含有量 0、2.08、4.16、6.25、および 8.33 × 10−3 mol の添加に対応します。それぞれ。 CB25 と CB500 は、それぞれ 500 °C でのアニーリング前後のカーボン ブラック ナノ粒子を表します。

 475 nm) as the carbon-black NP content increases. The PL intensity of the ZC NSs at shorter wavelengths (< 475 nm), as shown in Fig. 7a, increases with carbon-black NP content. Figure S3a–e present the deconvolutions of the PL spectra of the ZC0, ZC1, ZC2, ZC3, and ZC4 NSs, respectively, at short wavelengths (350‒475 nm). Three peaks are observed in such deconvoluted spectra. The peak at around 380 nm (E1, 3.26 eV) is attributable to the near band emission (NBE), which arises from the recombination of the electrons in the valence band (VB) of the ZnO and the holes in its conduction band (CB); the peak at 400 nm (E2, 3.1 eV) is associated with violet emission from the defect levels of the zinc interstitials \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\); the peak at 426‒440 nm (E3, 2.91‒2.81 eV) is attributable to transitions from the CB of the ZnO and the shallow donor-defect levels of \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\) to the acceptor defect levels of the zinc vacancies \((V_{Zn}^{{\prime\prime}} )\)2,43,44,45./p> 475 nm) is observed in Fig. 7a, and is identified with deep level emission (DLE). DLE arises from the defect levels within the band gap of the ZnO, such as oxygen vacancies \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\), zinc vacancies \((V_{Zn}^{{\prime\prime}} )\), zinc interstitials \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\), and oxygen antisites \((O_{Zn}^{\prime\prime\prime\prime} )\)8. The defect levels of \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\) are primarily responsible for the DLE46. These results confirm that the proper carbon-black NP content incorporated increases PL intensity of ZnO in the short-wavelength region, and significantly reduces DLE. The related works on the photoluminescence properties of heterostructures comprising ZnO nanostructures and various carbon-related nanomaterials, such as reduced graphene oxides (RGO), carbon quantum dots (QDs), graphene, multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), and carbon nanomaterials, are listed in Table S3. These studies indicate that the presence of carbon-related materials has an impact on the photoluminescence properties when integrated with ZnO nanostructures. Under appropriate conditions, the PL intensities of ZnO nanostructures can be enhanced through the incorporation of carbon-related materials. /p>