STUDY OF THE EFFECT OF SYNTHESIS CONDITIONS ON THE OPTICAL-SPECTRAL PROPERTIES OF HIGHLY DISPERSED FORMS OF ZINC OXIDE
Keywords:
zinc oxide, nanoparticles, optical-spectral properties, UV-visible absorption spectroscopy, optical band gap.Abstract
В работе представлены результаты синтеза высокодисперсных форм оксида цинка методом прямого осаждения в водной среде, а также исследования влияния прекурсоров (ацетат цинка – Zn(CH3CO2)2·2H2O, хлорид цинка – ZnCl2, гидроксид натрия – NaOH) и термолиза на оптико-спектральные свойства полученного материала.
На основании результатов абсорбционной спектроскопии в УФ-видимом диапазоне доказано, что все полученные образцы являются оксидом цинка модификации вюрцит. Характер пиков в области 375 и 370 нм на спектрах поглощения образцов ZnO, синтезированных из ацетата и хлорида цинка соответственно, а затем высушенных при 60оС, свидетельствует о наноразмерном диапазоне и монодисперсном распределении частиц. Термообработка исследуемых образцов ZnO при 300оС приводит к сдвигу максимумов поглощения в красную зону до 382 и 376 нм, обусловленному возможной агломерацией частиц.
Графическое определение оптической ширины запрещенной зоны синтезированных полупроводниковых кристаллов ZnO из экспериментально измеренных зависимостей (αhν)2 показывает меньшие значения Eg (2,8 и 2,75 эВ), чем у объемного ZnO (≈ 3,37 эВ). Установлено, что наиболее низкая величина оптической ширины запрещенной зоны наблюдается у образцов ZnO после термообработки, что коррелирует с увеличением размеров кристаллитов, в результате чего происходит сдвиг края поглощения в область более низких энергий (2 и 2,4 эВ). Наблюдаемый красный сдвиг можно объяснить также формированием собственных дефектов кристаллической решетки.
Полученные результаты имеют практическую значимость для последующих исследований, направленных на получение высокодисперсных форм ZnO с контролируемыми размерами и морфологией с целью применения в технологиях отделки текстильных материалов.
References
Özgür Ü., Alivov Ya.I., Liu C., et al. A Comprehensive Review of ZnO Materials and Devices. J. Appl. Phys, 2005, 98, 041301.
Kołodziejczak-Radzimska, A.; Jesionowski, T. Zinc Oxide—From Synthesis to Application: A Review. Materials, 2014, 7, 2833-2881. https://doi.org/10.3390/ma7042833
Li L., Fan T., Hu R., et al. Surface micro-dissolution process for embedding carbon nanotubes on cotton fabric as a conductive textile. Cellulose, 2017, 24(2), 1-8. DOI:10.1007/s10570-016-1160-2
Fan T., Zhao Z., Zhou J., et al. Fabrication of magnetic cotton fabrics using surface micro-dissolving technology in ZnCl2 aqueous solution. Cellulose, 2018, 25(2). DOI:10.1007/s10570-017-1623-0
Thennarasu G., Sivasamy A. Enhanced visible photocatalytic activity of cotton ball like nano structured Cu doped ZnO for the degradation of organic pollutant. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2016, 134(Pt 2), 412-420. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2015.10.030
Salat M., Petkova P., Hoyo J., et al. Durable antimicrobial cotton textiles coated sonochemically with ZnO nanoparticles embedded in an in-situ enzymatically generated bioadhesive. Carbohydrate Polymers, 2018, 189, 198-203. DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.02.033
Xu B., Cai Z. Fabrication of a Superhydrophobic ZnO Nanorod Array Film on Cotton Fabrics Via a Wet Chemical Route and Hydrophobic Modification. Applied Surface Science, 2008, 254(18), 5899-5904. DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.03.160
Lam Y.L., Kan C.W., Yuen C.W.M. Flame-retardant finishing in cotton fabrics using zinc oxide co-catalyst. Journal of Applied Polymer Science, 2011, 121, 1, 612-621. DOI: 10.1002/app.33738
Borda d’ Água R., Branquinho R., Duarte M.P., et al. Efficient coverage of ZnO nanoparticles on cotton fibres for antibacterial finishing using a rapid and low cost in situ synthesis. New J. Chem., 2018, 42, 1052-1060. DOI: 10.1039/C7NJ03418K
Yadav A., Prasad V.A., Kathe A.A., Raj S., et al. Functional finishing in cotton fabrics using zinc oxide nanoparticles. Bulletin of Materials Science, 2006, 29, 641–645.
AbdEl-Hady M.M., Farouk A., Sharaf S. Flame retardancy and UV protection of cotton based fabrics using nano ZnO and polycarboxylic acids. Carbohydrate Polymers, 2013, 92, 1, 400-406. DOI: 10.1016/j.carbpol.2012.08.085
Anandan M., Dinesh S., Krishnakumar N., Balamurugan K. Tuning the crystalline size of template free hexagonal ZnO nanoparticles via precipitation synthesis towards enhanced photocatalytic performance. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2017, 28, 2574–2585.
Zak A.K., Razali R., Majid W.A., Darroudi M. Synthesis and characterization of a narrow size distribution of zinc oxide nanoparticles. Int. J. Nanomed. 2011, 6, 1399–1403. DOI: 10.2147/IJN.S19693
Tabib A., Bouslama W., Sieber B., Addad A., Elhouichet H., Ferid M., Boukherroub R. Structural and optical properties of Na doped ZnO nanocrystals: Application to solar photocatalysis. Appl. Surf. Sci. 2017, 396, 1528–1538. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.204
Liang Y., Wicker S., Wang X., Erichsen E., Fu F. Organozinc Precursor-Derived Crystalline ZnO Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Their Spectroscopic Properties. Nanomaterials, 2018, 8, 22. DOI: 10.3390/nano8010022
Ali T.T., Narasimharao K., Parkin I.P., Carmalt C.J., et al. Effect of pretreatment temperature on the photocatalytic activity of microwave irradiated porous nanocrystalline ZnO. New J. Chem. 2015, 39, 321–332. DOI: 10.1039/C4NJ01465K
Sathya M., Claude A., Govindasamy P., Sudha K., Claude A. Growth of pure and doped ZnO thin films for solar cell applications. Pelagia Res. Libr. Adv. Appl. Sci. Res. 2012, 3(5), 2591–2598.
Balogun S.W., Sanusi Y.K., Aina A.O. Impact of Post-Deposition Heat Treatment on the Morphology and Optical Properties of Zinc Oxide (ZnO) Thin Film Prepared by Spin-Coating Technique. J. Photon. Mater. Technol. 2017, 3(3), 20. DOI: 10.11648/j.jmpt.20170303.11
Sathya M., Claude A., Govindasamy P., Sudha K., Claude A. Growth of pure and doped ZnO thin films for solar cell applications. Pelagia Res. Libr. Adv. Appl. Sci. Res. 2012, 3, 2591–2598.
Sun Y., Guo H., Zhang W., Zhou T., et al. Synthesis and characterization of twinned flower–like ZnO structures grown by hydrothermal methods. Ceram. Int. 2016, 42, 9648–9652. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.051
Zak A. K., Abrishami M.E., Majid W.H. et al. Effects of annealing temperature on some structural and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a modified sol–gel combustion method. Ceram. Int., 2011, 37, 393–398. DOI: 10.1016/j.ceramint.2010.08.017
Ma S., Liang H., Wang X., et al. Controlling the Band Gap of ZnO by Programmable Annealing. J. Phys. Chem. C. 2011, 115, 42, 20487–20490. DOI: 10.1021/jp207237d
Li J.W., Liu X.J., Yang L.W. et al. Photoluminescence and photoabsorption blueshift of nanostructured ZnO: Skin-depth quantum trapping and electron-phonon coupling. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 031906. DOI:10.1063/1.3184566
