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Jun 19, 2023

Le nanostrutture di ossido di zinco migliorano la fotoluminescenza del carbonio

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 9704 (2023) Cita questo articolo 456 Accessi Dettagli metriche Le eterostrutture ZnO/nero di carbonio sono state sintetizzate utilizzando un metodo sol-gel e cristallizzate mediante

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Le eterostrutture ZnO/nero di carbonio sono state sintetizzate utilizzando un metodo sol-gel e cristallizzate mediante ricottura a 500 °C sotto 2 × 10−2 Torr per 10 minuti. Le strutture cristalline e le modalità di vibrazione legante sono state determinate mediante spettrometria XRD, HRTEM e Raman. Le loro morfologie superficiali sono state osservate mediante FESEM. Il modello Moiré osservato nelle immagini HRTEM conferma che le nanoparticelle di nerofumo erano coperte dai cristalli di ZnO. Le misurazioni dell'assorbanza ottica hanno rivelato che il gap di banda ottica delle eterostrutture ZnO/nero di carbonio è aumentato da 2,33 a 2,98 eV man mano che il contenuto di nanoparticelle di nero di carbonio aumenta da 0 a 8,33 × 10−3 mol a causa dell'effetto Burstein-Moss. Le intensità della fotoluminescenza sul bordo della banda vicina e della luce viola e blu sono aumentate di fattori rispettivamente di circa 68,3, 62,8 e 56,8, quando il contenuto di nerofumo è di 2,03 × 10−3 mol. Questo lavoro rivela che il corretto contenuto di nanoparticelle di nerofumo coinvolte aumenta le intensità PL dei cristalli di ZnO nel regime di lunghezza d'onda corta, supportando la loro potenziale applicazione nei dispositivi a emissione di luce.

L'ossido di zinco è un materiale promettente per l'uso nei dispositivi a emissione di luce1, nei fotocatalizzatori2, nei sensori di gas3 e nelle celle solari4, grazie alla sua proprietà semiconduttrice di tipo n, all'ampio gap di banda (3,3 eV)5 e all'elevata energia di legame degli eccitoni (60 meV) 5, rispetto dell'ambiente6, basso costo ed elevata stabilità fisica e chimica7. Due metodi che implicano il drogaggio con elementi Sb8, Ga9, Cu10, Gd11 e Li12 ed eterostrutture, come RGO/ZnO2, Ag/ZnO6, ZnO/grafene13, Si/ZnO14, In2O3–ZnO15 e MoS2@ZnO16, possono essere utilizzato per modificare e migliorare l'emissione della luce da parte di ZnO. I mezzi più comuni per sintetizzare nanostrutture di ZnO includono sol-gel6, idrotermale termico17, idrotermale a microonde18, deposizione termica di vapori chimici (CVD)8 e ablazione laser pulsata (PLA)19. Come accennato in precedenza, gli approcci sol-gel e CVD termico sono i metodi più popolari, semplici ed efficienti per sintetizzare le nanostrutture di ZnO. Il nerofumo ha una struttura cristallina simile a quella della grafite ma è tridimensionale e meno ordinata. Gli strati di carbonio nel nerofumo sono paralleli tra loro ma presentano un ordine basso, spesso come strati concentrici con strutture turbostratiche20. Il nerofumo ha elevata conduttività, ampia area superficiale specifica, stabilità21, basso costo ed è naturalmente abbondante22. Pertanto, ha potenziali usi nei riempitivi di carbonio22, materiali di rinforzo e di supporto per catalizzatori metallici21, batterie agli ioni di litio23, biomateriali24, celle a combustibile25, fotocatalizzatori26, celle solari27, elettrocatalizzatori per la riduzione dell'ossigeno28 e composti di gomma29.

Le eterostrutture, comprese le eterostrutture metallo/semiconduttore, semiconduttore/metallo e semiconduttore/semiconduttore, sono utili per modificare le proprietà di fotoluminescenza dei semiconduttori, in un modo determinato dalla riconfigurazione della struttura a bande tra i materiali di collegamento in uno stato stazionario. Wang et al. riferito che le nanostrutture V2O5@Pt mostravano una migliore intensità fotoluminescente a λ = 466 nm30; Wang et al. riferito che le nanostrutture RGO@ZnO mostravano una maggiore intensità nell'emissione del bordo della banda vicina2; Rajas-Lopez et al. hanno scoperto che MoS2/hBN/SiO2 mostravano una maggiore intensità fotoluminescente all'energia di emissione di 1,85 eV31; Chi et al. ha rivelato che NiFe/ZnO mostrava fotoluminescenza con maggiore intensità a λ = 414 nm32; e Kandhasamy et al. hanno scoperto che MoS2/grafene mostrava una fotoluminescenza migliorata a λ = 690 nm e 430 nm33. Sulla base delle proprietà sopra menzionate del nero di carbonio, dei potenziali usi di ZnO e delle proprietà utili delle eterostrutture, sono stati utilizzati un metodo sol-gel e il processo CVD termico per fabbricare eterostrutture ZnO/nero di carbonio e gli effetti del Sono stati studiati sistematicamente il contenuto di nanoparticelle di nerofumo sulla struttura cristallina di ZnO e le proprietà fotoluminescenti. I nomi dei campioni per le eterostrutture ZnO/nero di carbonio sono indicati come ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 e ZC4, corrispondenti all'aggiunta di contenuti di nero di carbonio di 0, 2,08, 4,16, 6,25 e 8,33 × 10−3 mol, rispettivamente. CB25 e CB500 rappresentano le nanoparticelle di nerofumo prima e dopo la ricottura a 500 °C, rispettivamente.