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

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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.

 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>