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탄소에 의해 광발광이 강화된 산화아연 나노구조

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탄소에 의해 광발광이 강화된 산화아연 나노구조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9704(2023) 이 기사 인용 456 Accesses Metrics 세부 정보 ZnO/카본-블랙 이종 구조는 졸-겔 방법을 사용하여 합성되었으며 다음과 같이 결정화되었습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9704(2023) 이 기사 인용

456 액세스

측정항목 세부정보

ZnO/카본-블랙 이종구조는 졸-겔 방법을 사용하여 합성하고 500°C, 2 x 10-2 Torr에서 10분 동안 어닐링하여 결정화했습니다. 결정 구조와 결합 진동 모드는 XRD, HRTEM 및 Raman 분광법에 의해 결정되었습니다. 그들의 표면 형태는 FESEM으로 관찰되었습니다. HRTEM 이미지에서 관찰되는 모아레 패턴은 카본블랙 나노입자가 ZnO 결정으로 덮여 있음을 확인시켜 줍니다. 광학 흡수율 측정 결과, Burstein-Moss 효과로 인해 카본-블랙 나노입자 함량이 0에서 8.33 x 10-3mol로 증가함에 따라 ZnO/카본-블랙 헤테로구조의 광학 밴드 갭이 2.33에서 2.98eV로 증가한 것으로 나타났습니다. 카본-블랙 함량이 2.03 x 10-3 mol일 때 근밴드 가장자리와 보라색 및 청색광의 광발광 강도는 각각 약 68.3, 62.8 및 56.8배 증가했습니다. 이 연구는 관련된 적절한 카본 블랙 나노입자 함량이 단파장 영역에서 ZnO 결정의 PL 강도를 증가시켜 발광 장치에서의 잠재적인 응용을 뒷받침한다는 것을 보여줍니다.

산화아연은 ​​n형 반도체 특성, 넓은 밴드 갭(3.3eV)5, 높은 엑시톤 결합 에너지(60meV)로 인해 발광 장치1, 광촉매2, 가스 센서3 및 태양 전지4에 사용되는 유망한 소재입니다. 5, 환경 친화성6, 저렴한 비용, 높은 물리적, 화학적 안정성7. Sb8, Ga9, Cu10, Gd11 및 Li12 원소와 RGO/ZnO2, Ag/ZnO6, ZnO/graphene13, Si/ZnO14, In2O3-ZnO15 및 MoS2@ZnO16과 같은 이종 구조를 도핑하는 두 가지 방법은 다음과 같습니다. ZnO에 의한 빛의 방출을 수정하고 개선하는 데 사용됩니다. ZnO 나노 구조를 합성하는 가장 일반적인 방법에는 졸-겔6, 열수열17, 마이크로파 열수18, 열화학 기상 증착(CVD)8 및 펄스 레이저 절제(PLA)19 방법이 있습니다. 위에서 언급한 바와 같이, 졸-겔 및 열 CVD 접근법은 ZnO 나노구조를 합성하는 가장 인기 있고 간단하며 효율적인 방법입니다. 카본 블랙은 흑연과 유사한 결정 구조를 가지고 있지만 3차원적이고 덜 규칙적입니다. 카본 블랙의 탄소층은 서로 평행하지만 낮은 차수를 나타내며 종종 터보층 구조를 갖는 동심원 층으로 나타납니다. 카본블랙은 전도성이 높고 비표면적이 크며 안정성21, 가격이 저렴하고 자연적으로 풍부합니다22. 따라서 탄소 필러22, 금속 촉매 강화 및 지지 재료21, 리튬 이온 배터리23, 생체 재료24, 연료 전지25, 광촉매26, 태양 전지27, 산소 환원 전기촉매28 및 고무 화합물29에 잠재적으로 사용될 수 있습니다.

금속/반도체, 반도체/금속 및 반도체/반도체 이종 구조를 포함한 이종 구조는 정상 상태에서 연결 물질 사이의 밴드 구조를 재구성하여 결정되는 방식으로 반도체의 광발광 특성을 수정하는 데 유용합니다. 왕 외. V2O5@Pt 나노구조가 λ = 466 nm30에서 향상된 광발광 강도를 나타냈다고 보고했습니다. 왕 외. RGO@ZnO 나노구조는 밴드 가장자리 방출 근처에서 향상된 강도를 나타냄을 보고했습니다. Rajas-Lopezet al. MoS2/hBN/SiO2가 1.85eV31의 방출 에너지에서 향상된 광발광 강도를 나타냄을 발견했습니다. Chi et al. NiFe/ZnO는 λ = 414 nm에서 증가된 강도로 광발광을 나타냄을 밝혔습니다. 및 Kandhasamyet al. MoS2/그래핀은 λ = 690 nm 및 430 nm에서 향상된 광발광을 나타냄을 발견했습니다. 위에서 언급한 카본 블랙의 특성, ZnO의 잠재적 용도 및 헤테로 구조의 유용한 특성을 기반으로 졸-겔 방법 및 열 CVD 공정을 사용하여 ZnO/카본 블랙 헤테로 구조를 제조했습니다. ZnO 결정 구조의 카본블랙 나노입자 함량과 광발광 특성을 체계적으로 조사했습니다. ZnO/카본-블랙 이종 구조의 샘플 이름은 0, 2.08, 4.16, 6.25 및 8.33 × 10-3 mol의 카본 블랙 함량 추가에 해당하는 ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 및 ZC4로 표시됩니다. 각기. CB25와 CB500은 각각 500°C에서 어닐링 전과 후의 카본블랙 나노입자를 나타냅니다.

 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>