ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СУСПЕНЗИЙ СУЛЬФИДОВ МЕТАЛЛОВ

Федяева О. А.¹, Шубенкова Е. Г.², Лутаева И. А.³, Пошелюжная Е. Г.⁴

¹Кандидат химических наук, ²Кандидат химических наук, ³Аспирант, ⁴Учебный мастер, Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СУСПЕНЗИЙ СУЛЬФИДОВ МЕТАЛЛОВ

Аннотация

Исследованы оптические свойства водных дисперсий сульфидов кадмия и цинка, полученных методом химического осаждения. Определены ширина запрещенной зоны и размеры частиц синтезированных образцов. Установлено смещение края полосы оптического поглощения в коротковолновую область при уменьшении размера частиц.

Ключевые слова: водные дисперсии, полупроводниковые наночастицы, оптические свойства, ширина запрещенной зоны

Fedyaev O. A.¹, Shubenkov E. G.², Poshelyuzhny E. G.³, Lutaeva I. A.⁴

¹ Candidate of Chemical Sciences,  ²Candidate of Chemical Sciences, ³Postgraduate student, ⁴Educational master, Omsk State Technical University

STUDY OF THE OPTICAL PROPERTIES OF SUSPENSIONS OF SULFIDES OF METALS

Abstract

The optical properties of aqueous dispersions of sulfides of cadmium and zinc, obtained by chemical vapor deposition. Defined band gap and particle size of the synthesized samples. Installed the shift of the band edge optical absorption to shorter wavelengths with decreasing particle size.

Keywords: aqueous dispersion of semiconductor nanoparticles, optical properties, band gap.

В последнее время одним из ведущих направлений в современном материаловедении стал синтез полупроводниковых нанкристаллов (квантовых точек) с заданными свойствами. Огромный интерес к этим объектам вызван наличием у них дискретных уровней в энергетическом спектре электронов, которые позволяют при варьировании размера нанокристалла изменять ширину запрещённой зоны, длину волны люминесценции и поглощения. Возможность управления зонной структурой и, таким образом, контроля оптических свойств позволяет создать на их основе новые люминесцентные материалы, лазеры с перестраиваемой длиной волны, биологические метки и светодиоды, плоские светоизлучающие панели, солнечные батареи, адсорбенты, катализаторы [1-3].

Наиболее популярными способами синтеза квантовых точек являются молекулярно-лучевая эпитаксия и коллоидная химия. Первый способ связан с формированием наноструктур на поверхности другого материала и, как правило, сопряжен с использованием уникального и дорогостоящего оборудования. С помощью химических методов можно создавать коллоидные растворы наночастиц полупроводников с контролируемыми размерами [4, 5]. Современные технологии позволяют изготавливать калиброванные по размерам наночастицы таким образом, чтобы их спектры флуоресценции отличались на 20 - 60 нм [6].

В данной работе исследованы оптические свойства водных дисперсий сульфидов кадмия и цинка, полученных методом химического осаждения. Растворы солей CdCl₂ (1,25 – 10,00 ммоль/л), ZnSO₄·6H₂O (10,00 – 37,50 ммоль/л) и Na₂S (0,1 моль/л) готовили на бидистиллированной воде. Выбор интервала концентраций растворов осуществляли на основе результатов определения порога коагуляции оптическим методом.

Спектры пропускания водных дисперсий регистрировали на приборе Specol 1500 в диапазоне длин волн λ от 190 до 1100 нм. Расчёт ширины запрещённой зоны частиц осуществляли с использованием участков спектра от 270 до 600 нм по формуле:

,                   (1)

где α - коэффициент поглощения, Е – энергия фотона, эВ; А – коэффициент, не зависящий от частоты падающего излучения, Eg – ширина запрещённой зоны частиц.

Радиус частиц определяли из формулы [7]:

 ,

где Е - ширина запрещенной зоны нанокристаллического полупроводника с размером частиц  R, Еg – ширина запрещенной зоны объемного полупроводника, m* - приведенная масса экситона, h – постоянная Планка.

Анализ спектров пропускания водных дисперсий сульфидов кадмия и цинка показал, что с уменьшением концентрации исходных реагентов край полосы поглощения смещается в коротковолновую область. Ширина запрещённой зоны частиц при этом увеличивается. Так, для частиц сульфида кадмия, полученных при концентрациях раствора CdCl₂ равных 1,25 и 50 ммоль/л, ширина запрещенной зоны составила соответственно 3,65 и 3,54 эВ. Оценка среднего размера частиц показала, что при концентрациях растворов хлорида кадмия и сульфата цинка ниже пороговых, средний размер частиц CdS и ZnS лежит в интервале от 7 до 22 нм.

Таким образом, в результате выполненных исследований было установлено соответствие между размером частиц водных дисперсий сульфидов кадмия и цинка и шириной запрещённой зоны. Это соответствие является условным, но позволяет выявить влияние размера частиц на величину Eg. При уменьшении размера частиц наблюдается увеличение ширины запрещённой зоны и смещение полосы поглощения в синюю область спектра.

Синтезированные наночастицы сульфидов кадмия и цинка можно использовать для модифицирования и активации поверхности твёрдотельных газовых сенсоров. Поскольку газовая чувствительность полупроводниковых сенсоров определяется не только физико-химической природой адсорбируемых частиц, но и каталитическими и электрофизическими свойствами полупроводника, то эти свойства можно изменять путем создания наноразмерных островков частиц одного полупроводника на поверхности другого. Не смотря на то, что в настоящее время имеется широкий выбор методов для создания квантовых точек полупроводников, возникает достаточно много проблем, связанных с приготовлением воспроизводимых и надежных материалов этого вида, необходимых для технологических приложений. В настоящее время пока не существует общих методов синтеза надежных наноструктурных материалов. В технологии химического синтеза только некоторые методы обеспечивают производство полупроводниковых нанокристаллов. Однако уникальные свойства этих материалов, возможности управления шириной запрещенной зоны и перестраиваемой люминесценцией делают их применение перспективным не только в оптоэлектронике, но и в газовом анализе.

Литература

1. Елисеев А.А. Функциональные наноматериалы / А.А. Елисеев, А.В. Лукашин. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 456 с.
2. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы / А.И. Гусев, А.А. Ремпель. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000. – 224 с.
3. Ch.P. Poole, F.J. Owens, Introduction in nanotechnology, John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey, 2003.
4. Щукин Е.Д. Коллоидная  химия: Учеб. Для университетов и химико-технолог. вузов/ Е.Д.  Щукин,  А.В.  Перцов, Е.А. Амелина. – М.: Высш. шк., 2006. – 444 с.
5. Письменко В.Т. Коллоидная химия. Методические указания/В.Т. Письменко, Е.Н. Калюкова. - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 72 с.
6. Hu F., Ran Y., Zhou Z., Gao M. Nanotechnology. (2006) 17. p. 2972-2977.
7. Садовников С.И. Оптические свойства наноструктурированных плёнок сульфида свинца с кубической структурой типа D0₃/ С.И.Садовников, Н.С. Кожевникова, А.И. Гусев/Физика и техника полупроводников. - 2011. - Т.45. - № 2. - С.1621-1632.

References

1. Yeliseyev A.A. Functional nanomaterials / A.A. Yeliseyev, A.V. Lukashin. – M.: FIZMATLIT, 2010. – 456 s.
2. Gusev A.I. Nanocrystal materials / A.I. Gusev, A.A. Rempel. - M.: FIZMATLIT, 2000. – 224 s.
3. Ch.P. Poole, F.J. Owens, Introduction in nanotechnology, John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey, 2003.
4. Schukin E.D. Colloidal chemistry: Studies. For universities and the chemical technologist. higher education institutions / E.D. Schukin, A.V. Pertsov, E.A. Amelina. – M.: Vyssh. sh., 2006. – 444 s.
5. Pismenko V. T. Colloidal chemistry. Methodical instructions / V.T. Pismenko, E.N. Kalyukov. - Ulyanovsk: ULGTU, 2003. - 72s.
6. Hu F., Ran Y., Zhou Z., Gao M. Nanotechnology. (2006) 17. p. 2972-2977.
7. Gardeners S. I. Optical properties of the nanostructured lead sulfide films with cubic structure of the D03/type S.I.Sadovnikov, N. S. Kozhevnikova, A.I. Gusev/Fizika and the technician of semiconductors. - 2011. - T.45. - № 2. - S 1621-1632.