Nanostrukturēto ZnO luminiscence ar laika izšķiršanu

Abstract

Pētīti ZnO nanopulveri, kas sintezēti ar dažādām metodēm: hidroterlmālo, plazmas un iztvaicēšanas-kondensācijas metodi Saules reaktorā. Neaktivētiem ZnO paraugiem grauda izmēri ir no 20 līdz 60 nm un ar Al aktivētiem paraugiem graudu izmēri no 28 līdz 119 nm. ZnO nanopulveri ar hidrotermālo metodi sintezēti Polijas ZA Augsto Spiedienu Fizikas institūtā un Retzemju un Krāsaino Metālu Institūtā, Rumānijā. Paraugi ar plazmas metodi iegūti Neorganiskās Ķīmijas Institūtā, Latvijā. Paraugi ar iztvaicēšanas – kondensācijas metodi iegūti Saules Enerģijas Materiālu Sintēzes Laboratorijā, Francijā. Spektrāli kinētiskie mērījumi tika veikti LU CFI, ierosinot nanopulverus ar YAG:Nd lāzeru (266nm, 4.66eV) un elektronu paātrinātāju. Neaktivētu ZnO nanopulveru fotoluminiscences spektri ir atkarīgi no sintēzes metodes. Visiem paraugiem istabas temperatūrā ir novērojama eksitonu luminiscences josla pie 3.26 eV. Hidrotermāli sintezētiem paraugiem defektu luminiscences joslas maksimums ir novērojams pie 1.9 eV, bet plazmā un iztvaicēšanas-kondensācijas Saules reaktorā sintezētiem paraugiem defektu luminiscences joslas maksimums ir novietots pie 2.4 eV. Analizējot luminiscences spektrus un dzišanas kinētikas parādīts, ka katrai joslai atbilst savs luminiscences centrs. Iztvaicēšanas-kondensācijas procesā Saules reaktorā neatkarīgi no izejas materiāla iegūst nanopulverus, kuriem eksitonu joslas luminiscences intensitāte ir stipri lielāka nekā izejas nanopulveriem. Eksitonu un defektu joslas luminiscences intensitāšu attiecība palielinās pēc iztvaicēšanas-kondensācijas procedūras. Tas norāda, ka šādu nanopulveru kristāliskā struktūra ir tuvāka ideālai, nekā izejas nanopulveriem. Ar Al aktivētos paraugos pēc iztvaicēšanas-kondensācijas procedūras ir novērojama eksitonu joslas luminiscences intensitātes atkarība no Al koncentrācijas. Ir noteikts, ka izejmateriālā pārsniedzot Al koncentrāciju 2.5 sv%, eksitonu joslas luminiscences intensitāte iziet uz piesātinājumu un ievērojami nemainās. Tas ir saistīts ar to, ka eksistē Al robežkoncentrācija, kuru var ieaudzēt ZnO. Analizējot defektu luminiscences dzišanas kinētikas ir konstatēts, ka tās ir atkarīgas no nanopulveru morfoloģijas un specifiskā virsmas laukuma. Samazinoties daļiņu izmēram, palielinās specifiskās virsmas laukums un pievirsmas slānim ir ievērojama ietekme uz defektu luminiscenci.

The ZnO nanopowders studied were synthesized by different metods: hydrothermal, plasma synthesis and vaporization–condensation in Solar reactor. Undoped ZnO nanopowders have grain size within 20-60 nm and Al doped nanopowders have grain size within 28-119 nm. The ZnO nanopowders were made with hydrothermal synthesis in the Institute of High Pressure Physics, Poland and Institute for Non – Ferrous and Rare Metals, Romania. The plasma synthesized nanopowders were made in the Institute of Inorganic Chemistry of Riga Technical University, Latvia. The nanopowders synthesized with vaporization-condensation in Solar reactor were made in Laboratory of Material Synthesis in Solar Energy, France. Time-resolved spectral measurements were made in LU CFI, using YAG:Nd laser (266 nm, 4.66 eV) and electron beam. A photoluminescence spectrum for undoped ZnO nanopowder depends on synthesis method. All samples at room temperature shows exciton luminescence band at 3.26 eV. The defect luminescence band maximum in hydrothermal synthesized nanopowders is located at 1.9 eV, while for plasma synthesized and subsequent vaporization-condensation in Solar reactor the luminescence band maximum was at 2.4 eV. The study of ZnO nanopowder luminescence spectra and decay kinetics shown, that two separate centers were responsible for the defect luminescence observed. The exciton band luminescence intensity for powders obtained by vaporization-condensation in Solar reactor is much higher than that in raw material used. The exciton and defect bands luminescence intensity ratio increases after vaporization-condensation procedure. It means that the crystalline structure for those nanopowders is more perfect if compared with raw nanopowders. After vaporization-condensation procedure for Al doped nanopowders the exciton band luminescence intensity dependence on Al concentration was observed. It is found that reaching 2.5 w% Al concentration in the raw material, exciton band luminescence intensity saturate for ZnO:Al powders obtained by vaporization-condensation procedure and did not changes noticeably at higher Al concentrations in the raw material. The reason is that there is maximal Al concentration, which can be incorporated into ZnO. It is shown that defect band luminescence decay kinetics depends on nanopowder morphology and specific surface area. For higher specific surface area the grain sizes are smaller, therefore near surface layer have significant influence on defect luminescence.