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Nanoestruturas de óxido de zinco melhoraram a fotoluminescência pelo carbono

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Nanoestruturas de óxido de zinco melhoraram a fotoluminescência pelo carbono

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9704 (2023) Citar este artigo 523 Acessos Métricas detalhes Heteroestruturas de ZnO/negro de fumo foram sintetizadas usando um método sol-gel e cristalizadas por

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9704 (2023) Citar este artigo

523 Acessos

Detalhes das métricas

Heteroestruturas de ZnO / negro de fumo foram sintetizadas usando um método sol-gel e cristalizadas por recozimento a 500 ° C sob 2 × 10-2 Torr por 10 min. As estruturas cristalinas e os modos de vibração de ligação foram determinados por espectrometria XRD, HRTEM e Raman. Suas morfologias superficiais foram observadas pelo FESEM. O padrão Moiré observado nas imagens HRTEM confirma que as nanopartículas de negro de fumo foram cobertas pelos cristais de ZnO. Medições de absorvância óptica revelaram que o intervalo de banda óptica das heteroestruturas de ZnO / negro de fumo aumentou de 2, 33 para 2, 98 eV à medida que o conteúdo de nanopartículas de negro de fumo aumenta de 0 para 8, 33 × 10 -3 mol devido ao efeito Burstein-Moss. As intensidades de fotoluminescência na borda próxima da banda e da luz violeta e azul foram aumentadas por fatores de cerca de 68,3, 62,8 e 56,8, respectivamente, quando o conteúdo de negro de fumo é de 2,03 × 10−3 mol. Este trabalho revela que o conteúdo adequado de nanopartículas de negro de fumo envolvido aumenta as intensidades de PL dos cristais de ZnO no regime de comprimento de onda curto, apoiando sua potencial aplicação em dispositivos emissores de luz.

O óxido de zinco é um material promissor para uso em dispositivos emissores de luz1, fotocatalisadores2, sensores de gás3 e células solares4, devido à sua propriedade semicondutora do tipo n, banda larga (3,3 eV)5, alta energia de ligação de excitons (60 meV) 5, respeito ao meio ambiente6, baixo custo e alta estabilidade física e química7. Dois métodos que envolvem dopagem com elementos Sb8, Ga9, Cu10, Gd11 e Li12, e heteroestruturas, como RGO/ZnO2, Ag/ZnO6, ZnO/grafeno13, Si/ZnO14, In2O3–ZnO15 e MoS2@ZnO16, podem ser usado para modificar e melhorar a emissão da luz pelo ZnO. Os meios mais comuns de sintetizar nanoestruturas de ZnO incluem sol-gel6, hidrotérmico térmico17, hidrotérmico de micro-ondas18, deposição de vapor termicamente químico (CVD)8 e métodos de ablação por laser pulsado (PLA)19. Como mencionado acima, as abordagens sol-gel e CVD térmica são os métodos mais populares, simples e eficientes para sintetizar as nanoestruturas de ZnO. O negro de fumo tem uma estrutura cristalina semelhante à do grafite, mas é tridimensional e menos ordenado. As camadas de carbono no negro de fumo são paralelas entre si, mas exibem ordem baixa, frequentemente como camadas concêntricas com estruturas turboestráticas . O negro de fumo possui alta condutividade, grande área superficial específica, estabilidade21 e baixo custo, além de ser naturalmente abundante22. Portanto, tem usos potenciais em cargas de carbono22, materiais de reforço e suporte para catalisadores metálicos21, baterias de íon-lítio23, biomateriais24, células de combustível25, fotocatalisadores26, células solares27, eletrocatalisadores de redução de oxigênio28 e compostos de borracha29.

Heteroestruturas, incluindo metal/semicondutor, semicondutor/metal e heteroestruturas semicondutor/semicondutor, são úteis para modificar as propriedades de fotoluminescência de semicondutores, de uma maneira determinada pela reconfiguração da estrutura de banda entre os materiais de conexão em um estado estacionário. Wang et al. relataram que as nanoestruturas V2O5@Pt exibiram melhor intensidade fotoluminescente em λ = 466 nm30; Wang et al. relataram que as nanoestruturas RGO@ZnO exibiram intensidade aumentada na emissão próxima da borda da banda; Rajas-Lopez et al. descobriram que MoS2/hBN/SiO2 exibiu maior intensidade fotoluminescente na energia de emissão de 1,85 eV31; Chi et al. revelou que NiFe/ZnO exibiu fotoluminescência com intensidade aumentada em λ = 414 nm32; e Kandhasamy et al. descobriram que o MoS2 / grafeno exibiu fotoluminescência aprimorada em λ = 690 nm e 430 nm33. Com base nas propriedades acima mencionadas do negro de fumo, os usos potenciais de ZnO e as propriedades úteis de heteroestruturas, um método sol-gel e o processo térmico de CVD foram usados ​​​​aqui para fabricar heteroestruturas de ZnO/negro de fumo, e os efeitos do O conteúdo de nanopartículas de negro de fumo na estrutura cristalina do ZnO e nas propriedades fotoluminescentes foram sistematicamente investigados. Os nomes das amostras para heteroestruturas de ZnO/negro de fumo são denotados como ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 e ZC4, correspondendo à adição de teores de negro de fumo de 0, 2,08, 4,16, 6,25 e 8,33 × 10−3 mol, respectivamente. CB25 e CB500 representam as nanopartículas de negro de fumo antes e depois do recozimento a 500 °C, respectivamente.

 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>