ПОЛУЧЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАДИСПЕРСИЙ СУЛЬФИДА КАДМИЯ

Шубенкова Е.Г.¹, Мурашова А.О.²

¹ Кандидат химических наук, доцент, ² магистрант, Омский государственный технический университет

ПОЛУЧЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАДИСПЕРСИЙ  СУЛЬФИДА КАДМИЯ

Аннотация

Исследованы оптические свойства ультрадисперсий сульфида кадмия, полученного методом химического осаждения в водных растворах и в растворах обратных мицелл. Установлено смещение края полосы оптического поглощения в коротковолновую область при уменьшении размера частиц.

Ключевые слова: обратные мицеллы, полупроводниковые наночастицы, оптические свойства, ширина запрещенной зоны, фотокатализ

 

Shubenkova E.G.¹, Murashova A.O.²

¹ PhD in Chemistry, associate professor, ² master student, Omsk State Technical University

PREPARATION AND OPTICAL PROPERTIES OF ULTRADISPERSED CADMIUM SULFIDE

Abstract

The optical properties of aqueous dispersions and solutions of reverse micelles of cadmium sulfid are researched. Band gap and particle size of the synthesized samples are defined. The shift of the band edge optical absorption to shorter wavelengths with decreasing particle size is installed.

Keywords: reverse micelles, semiconductor nanoparticles, optical properties, band gap, photocatalysis.

Уникальные свойства наночастиц полупроводниковых материалов, возможности управления их зонной структурой и, таким образом, контролем оптических свойств делают их применение перспективным не только в оптоэлектронике, но и в газовом анализе и катализе  [1-3].

В связи с этим возникает проблема создания материалов, содержащих наночастицы, обладающих воспроизводимыми свойствами. Для создания ультрадисперсий полупроводников с контролируемыми размерами частиц используют коллоидно-химические методы [4,5].

В данной работе исследованы оптические свойства ультрадисперсий сульфида кадмия, полученного методом химического осаждения в водных растворах и в растворах обратных мицелл.

Исследуемые системы получены на основе натриевой соли ди-2-этилгексилового эфира сульфоянтарной кислоты (АОТ) и n-гептана в качестве неполярной фазы при комнатной температуре. В качестве полярной фазы использовали воду и водные растворы солей CdCl₂ (1,25–10,00 ммоль/л) и Na₂S (0,1 моль/л), приготовленные на бидистиллированной воде. Размер капель эмульсии в методе мицеллярного синтеза регулировали изменением величины W=[Н₂О]/[ПАВ].

Обратномицеллярные системы получали солюбилизацией водной фазы в растворе АОТ в н-гексане с концентрацией ПАВ 0,1 М. К определенному объему раствора АОТ прибавляли по каплям водные растворы солей в таком количестве, чтобы соотношение W=[Н₂О]/[ПАВ] изменялось в интервале от 0,5 до 20.

Размер капель микроэмульсии определяли с помощью лазерного анализатора размера частиц SALD-2101«Shimadzu». В соответствии с результатами дисперсионного анализа приготовленные образцы представляют собой микроэмульсии с бидисперсным распределением частиц по размерам, образованные  из агрегатов нанокапель, размеры которых определяются степенью гидратации (W=[Н₂О]/[ПАВ]). Следует отметить, что с увеличением соотношения W=[Н₂О]/[ПАВ] диаметр частиц микроэмульсии также увеличивается.

Для получения ультрадисперсии сульфида кадмия методом химического осаждения из водных растворов использовали соли CdCl₂ (1,25 – 10,00 ммоль/л), и Na₂S (0,1 моль/л). Выбор интервала концентраций исходных растворов осуществляли на основе результатов определения порога коагуляции оптическим методом. Для золя CdS порог коагуляции составляет 0,005 М.

Спектры пропускания водных дисперсий и обратномицеллярных систем регистрировали на спектрофотометре Specol 1500 в диапазоне длин волн λ от 190 до 1100 нм в кварцевой кювете с толщиной слоя 1 см. В качестве образца сравнения использовали бидистиллированную воду. Ширину запрещенной зоны синтезированных образцов определяли по спектру поглощения, построенному в энергетической шкале [5]. Для расчёта Eg использовали участки спектра с заметным изменением пропускания в зависимости от длины волны λ, т.е. участки от 270 до 600 нм, соответствующие энергиям фотонов от 2,07 до 4,59 эВ.

Поскольку ширина запрещённой зоны (Eg) является функцией коэффициента поглощения α, зависящего от оптической плотности образца, то построив график в координатах (α·Е)² = f(Е) (Е – энергия фотона, эВ), можно вычислить Eg, используя следующее уравнение:

,     (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 по методике в работе [7].

В работе ширину запрещённой зоны определяли как величину отрезка, отсекаемого на оси E касательной к линейной части экспериментальной кривой поглощения.

Анализ спектров пропускания водных дисперсий и обратномицеллярных систем сульфида кадмия показал, что с уменьшением концентрации исходных реагентов как в случае водных дисперсий, так и в случае обратномицеллярных систем край полосы поглощения смещается в коротковолновую область. Ширина запрещённой зоны частиц при этом увеличивается. Следует отметить, что в случае обратномицеллярных растворов сульфида кадмия край полосы поглощения смещен в коротковолновую область значительно сильнее, что указывает на меньшие размеры частиц синтезированных данным методом. Оценка среднего размера частиц показала, что при концентрациях растворов хлорида кадмия ниже пороговых, средний размер частиц CdS лежит в интервале от 7 до 22 нм.

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. R.F. Khairutdinov, Chemistry of semiconductor nanoparticles,Russ. Chem. Rev. 67(2)(1998) 109–122.
5. S. V. Rempel, A. A. Razvodov, M. S. Nebogatikov, E. V. Shishkina,V. Ya. Shur, A. A. Rempel, Sizes and fluorescence of cadmium sulfide quantum dots, Physics of the Solid State 3(2013)55.
6. A. A. Rempel, N. S. Kozhevnikova, S. V. Rempel,Structure of cadmium sulfide nanoparticle micelle in aqueous solutions, Russian Chemical Bulletin 2(2013)62.
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.

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.