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Jul 11, 2023

Les nanostructures d'oxyde de zinc améliorent la photoluminescence grâce au carbone

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 9704 (2023) Citer cet article 456 Accès aux détails des métriques Des hétérostructures ZnO/noir de carbone ont été synthétisées à l'aide d'une méthode sol-gel et cristallisées par

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9704 (2023) Citer cet article

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Les hétérostructures ZnO/noir de carbone ont été synthétisées à l'aide d'une méthode sol-gel et cristallisées par recuit à 500 °C sous 2 × 10−2 Torr pendant 10 min. Les structures cristallines et les modes de vibration de liaison ont été déterminés par spectrométrie XRD, HRTEM et Raman. Leurs morphologies de surface ont été observées par FESEM. Le motif de moiré observé sur les images HRTEM confirme que les nanoparticules de noir de carbone étaient recouvertes par les cristaux de ZnO. Les mesures de l'absorbance optique ont révélé que la bande interdite optique des hétérostructures ZnO/noir de carbone augmentait de 2,33 à 2,98 eV à mesure que la teneur en nanoparticules de noir de carbone augmentait de 0 à 8,33 × 10−3 mol en raison de l'effet Burstein-Moss. Les intensités de photoluminescence au bord proche de la bande et de la lumière violette et bleue ont été augmentées respectivement par des facteurs d'environ 68,3, 62,8 et 56,8, lorsque la teneur en noir de carbone est de 2,03 × 10−3 mol. Ce travail révèle que la teneur appropriée en nanoparticules de noir de carbone impliquée augmente les intensités PL des cristaux de ZnO dans le régime des courtes longueurs d'onde, confortant ainsi leur application potentielle dans les dispositifs électroluminescents.

L'oxyde de zinc est un matériau prometteur pour une utilisation dans les dispositifs électroluminescents1, les photocatalyseurs2, les capteurs de gaz3 et les cellules solaires4, en raison de sa propriété semi-conductrice de type N, de sa large bande interdite (3,3 eV)5 et de sa haute énergie de liaison aux excitons (60 meV). 5, respect de l'environnement6, faible coût et stabilités physiques et chimiques élevées7. Deux méthodes impliquant le dopage avec des éléments Sb8, Ga9, Cu10, Gd11 et Li12, et des hétérostructures, telles que RGO/ZnO2, Ag/ZnO6, ZnO/graphène13, Si/ZnO14, In2O3-ZnO15 et MoS2@ZnO16, peuvent être utilisé pour modifier et améliorer l'émission de la lumière par ZnO. Les moyens les plus courants de synthèse de nanostructures de ZnO comprennent les méthodes sol-gel6, hydrothermale thermique17, hydrothermale micro-ondes18, dépôt thermiquement chimique en phase vapeur (CVD)8 et ablation laser pulsée (PLA)19. Comme mentionné ci-dessus, les approches sol-gel et CVD thermique sont les méthodes les plus populaires, simples et efficaces pour synthétiser les nanostructures de ZnO. Le noir de carbone a une structure cristalline similaire à celle du graphite, mais elle est tridimensionnelle et moins ordonnée. Les couches de carbone dans le noir de carbone sont parallèles les unes aux autres mais présentent un ordre faible, souvent sous forme de couches concentriques avec des structures turbostratiques . Le noir de carbone a une conductivité élevée, une grande surface spécifique, une stabilité21 et un faible coût, et il est naturellement abondant22. Par conséquent, il a des utilisations potentielles dans les charges de carbone22, les matériaux de renforcement et de support pour les catalyseurs métalliques21, les batteries Li-ion23, les biomatériaux24, les piles à combustible25, les photocatalyseurs26, les cellules solaires27, les électrocatalyseurs de réduction d’oxygène28 et les composés de caoutchouc29.

Des hétérostructures, notamment des hétérostructures métal/semi-conducteur, semi-conducteur/métal et semi-conducteur/semi-conducteur, sont utiles pour modifier les propriétés de photoluminescence de semi-conducteurs, d'une manière déterminée par la reconfiguration de la structure de bande entre les matériaux de connexion dans un état stable. Wang et coll. rapporté que les nanostructures V2O5@Pt présentaient une intensité photoluminescente améliorée à λ = 466 nm30 ; Wang et coll. rapporté que les nanostructures RGO@ZnO présentaient une intensité accrue à l'émission proche du bord de la bande2 ; Rajas-Lopez et al. ont découvert que MoS2/hBN/SiO2 présentait une intensité photoluminescente améliorée à une énergie d'émission de 1,85 eV31 ; Chi et coll. a révélé que NiFe/ZnO présentait une photoluminescence avec une intensité accrue à λ = 414 nm32 ; et Kandhasamy et al. ont découvert que MoS2/graphène présentait une photoluminescence améliorée à λ = 690 nm et 430 nm33. Sur la base des propriétés susmentionnées du noir de carbone, des utilisations potentielles du ZnO et des propriétés utiles des hétérostructures, une méthode sol-gel et le processus CVD thermique ont été utilisés ici pour fabriquer des hétérostructures ZnO/noir de carbone, et les effets de la la teneur en nanoparticules de noir de carbone sur la structure cristalline de ZnO et les propriétés photoluminescentes ont été systématiquement étudiées. Les noms d'échantillons pour les hétérostructures ZnO/noir de carbone sont notés ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 et ZC4, correspondant à l'addition de teneurs en noir de carbone de 0, 2,08, 4,16, 6,25 et 8,33 × 10−3 mol, respectivement. CB25 et CB500 représentent respectivement les nanoparticules de noir de carbone avant et après recuit à 500 °C.