ВПЛИВ НАНОРОЗМІРНОГО ОКСИДУ КРЕМНІЮ НА ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОЧАСТИНОК ZNO

Кучмій С. Я., член-кореспондент НАН України, д.х.н., проф.;
Швалагін В. В., к.х.н.; Гродзюк Г. Я., к.х.н.; Гранчак В. М., д.х.н., с.н.с.
Інститут фізичної хімії ім.Л.В. Писаржевського НАН України, м.Київ
Сарапулова О. О.; Шерстюк В. П., д.х.н., проф.,
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Видавничо-поліграфічний інститут, м.Київ

ВПЛИВ НАНОРОЗМІРНОГО ОКСИДУ КРЕМНІЮ НА ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ ВЛАСТИВОСТІ НАНОЧАСТИНОК ZNO

Наночастки напівпровідників, завдяки наявності цілого ряду специфічних властивостей, які істотно відрізняють їх від масивних матеріалів того ж хімічного складу [1], останнім часом все більш інтенсивно вивчають, як перспективні об’єкти нових функціональних матеріалів з наперед заданими властивостями. Одним з матеріалів, який може знайти застосування в цілому ряді пристроїв, є оксид цинку нанорозмірної дисперсності, завдяки інтенсивній смузі поглинання в УФ області, антибактеріальним властивостям та інтенсивної люмінесценції в широкому діапазоні видимого спектру [2-4]. Серед додаткових переваг нанорозмірного ZnO, порівняно з цілим рядом люмінесцентних матеріалів, можна відзначити нетоксичність, дешевизну, простоту отримання наночастинок оксиду цинку заданого розміру в цілому ряді органічних розчинників. Разом з тим слід відмітити, що для практичного використання нанорозмірного оксиду цинку актуальним залишається максимальне підвищення його квантових виходів люмінесценції.
В зв’язку з цим в даній роботі було досліджено можливості підвищення інтенсивності люмінесценції наночастинок оксиду цинку при взаємодії їх з поверхнею нанорозмірного SiO2.
Наночастинки ZnO отримували по відомій методиці [5-6] шляхом лужного гідролізу ацетату цинку при дії гідроксиду натрію в абсолютному етанолі. Далі до сформованих наночастинок ZnO додавали необхідну кількість гідрофобного діоксиду кремнію та інтенсивно перемішували на магнітній мішалці до отримання однорідної дисперсії. Для отримання композиту ZnO/SiO2 під час синтезу, наважку діоксиду кремнію диспергували в етанольному розчині зразу після розчинення Zn(CH3COO)2. Далі етанольні розчини ацетату цинку з дисперсією SiO2 та розчин NaOH охолоджували до 0 0С і повільно змішували при інтенсивному перемішуванні, як і в попередньому випадку.
Було встановлено, що додавання SiO2 до наночастинок оксиду цинку після їх синтезу призводить до поступового підвищення оптичної густини таких дисперсій у всій дослідженій ділянці спектру.  Враховуючи, що SiO2  не поглинає світло даного діапазону, можна припустити, що збільшення оптичної густини обумовлено розсіюванням світла частинками оксиду кремнію.
При цьому залежність максимуму інтенсивності люмінесценції наночастинок ZnO від кількості введеного SiO2 має куполоподібний характер. (рис. 1, а).
 


Такий вплив частинок SiO2 на люмінесцентні властивості оксиду цинку може бути обумовлений адсорбцією наночастинок ZnO на поверхні діоксиду кремнію, що дозволить обмежити контакт між частинками люмінофора. Оскільки наночастинки оксиду цинку характеризуються певним розподілом за розміром, між ними можливий перенос фотогенерованих зарядів від менших до більших. Цей процес приводить до розділення фотогенерованих зарядів між наночастинками люмінофору і, як наслідок, до зниження ефективності люмінесценції наночастинок ZnO. Оскільки адсорбція наночастинок оксиду цинку на поверхні SiO2 може обмежити прямий контакт між наночастинками напівпровідника, а отже і розділення фотогенерованих в них зарядів, це може привести до підвищення їх люмінесценції, що ми і спостерігаємо експериментально. При високому вмісті SiO2 спостерігається суттєве розсіювання світла, що очевидно і приводить до зниження інтенсивності люмінесценції наночастинок оксиду цинку при високому вмісті частинок діоксиду кремнію.
Було встановлено, що введення наночастинок SiO2 при синтезі нанокристалів ZnO призводить до суттєвої зміни інтенсивності люмінесценції нанорозмірного оксиду цинку (рис. 1, б). Як видно з рисунку максимальна інтенсивність люмінесценції наночастинок ZnO, до яких при синтезі додавали SiO2, майже в 3 рази вище ніж в вихідному колоїді ZnO. При цьому, було показано, що існує оптимальна кількість наночастинок діоксиду кремнію, при якій інтенсивність люмінесценції ZnO досягає максимуму (Рис. 1, б). Подальше збільшення кількості SiO2 при синтезі, в дослідженому діапазоні, не призводить до суттєвих змін люмінесценції наночастинок ZnO. Таке суттєве збільшення інтенсивності люмінесценції нанокристалів ZnO при введенні SiO2 під час синтезу, на відміну від введення після синтезу може бути обумовлено більш рівномірним розподілом нанокристалів ZnO по поверхні SiO2, а також зменшенням ймовірності сорбції на поверхні діоксиду кремнію агрегатів наночастинок оксиду цинку, що можливо при додаванні SiO2 до готових нанокристалів люмінофору.
Слід відмітити, що і в спектрах поглинання і спектрах збудження люмінесценції не спостерігається суттєвих змін положення довгохвильового краю фундаментальної смуги  ZnO, при введенні при синтезі наночастинок оксиду кремнію, що свідчить про його слабкий вплив на розмір напівпровідника.
Таким чином, показано, що диспергування діоксиду кремнію в розчині наночастинок оксиду цинку дозволяє підвищити їх інтенсивність люмінесценції майже на 30%, а додавання нанокристалів діоксиду кремнію до вихідних розчинів в процесі синтезу наночастинок ZnO дозволяє підвищити їх інтенсивність люмінесценції майже в 3 рази. Висловлено припущення, що такий вплив обумовлений обмеженням прямого контакту між наночастинками ZnO при їх сорбції на поверхні SiO2.

Список використаних джерел: 1. А. Л. Строюк, А. И. Крюков, С. Я. Кучмий, В. Д. Походенко Теорет. и эксп. хим., 2005, 41(2), 67. 2. H. M. Xiong, Y. Xu, Q. G. Ren and Y. Y. Xia, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 7522. 3. H. P. Wang, H. Jiang and X. M. Wang, Chem. Commun, 2010, 46, 6900. 4. Q. Shi, W. N. Li, L. W. Sun, Y. Liu, H. M. Xiao and S. Y. Fu, Chem. Commun., 2011, 47, 11921. 5. D. W. Bahnemann, C. Kormann, M. R. Hoffmann, J. Phys. Chem., 91, No. 14: 3789 (1987). 6. O.L. Stroyuk, V.M. Dzhagan, V.V. Shvalagin, S.Ya. Kuchmiy, J. Phys. Chem. C, 114, No. 1: 220 (2010).