Optical band gap and aggregation behavior of C60 fullerene in xylene/ethanol

Editorial Board PCSS Journal; У.Дж. Махманов; А.Х. Шукуров; К.Н. Мусурмонов

doi:10.15330/pcss.27.3.566-572

Автор(и)

У.Дж. Махманов Інститут іонно-плазмових і лазерних технологій Академії наук Узбекистану, Ташкент, Узбекистан; Національний університет Узбекистану імені Мірзо Улугбека, Ташкент, Узбекистан
А.Х. Шукуров Інститут іонно-плазмових і лазерних технологій Академії наук Узбекистану, Ташкент, Узбекистан
К.Н. Мусурмонов Інститут іонно-плазмових і лазерних технологій Академії наук Узбекистану, Ташкент, Узбекистан

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.566-572

Ключові слова:

фулерен C₆₀, середовище ксилол/етанол, оптичні переходи, агрегація, аналіз траєкторій наночастинок, раманівська спектроскопія

Анотація

У роботі досліджено характеристики оптичних переходів, стан агрегації та морфологію утворених плівок фулерену C₆₀ у бінарному середовищі ксилол/етанол із фіксованим об’ємним співвідношенням 70:30 за концентрації C₆₀ 0,1 мг/мл. Для характеристики системи використано спектроскопію поглинання в УФ–видимій області (UV–Vis), аналіз за методом Тауца, аналіз траєкторій наночастинок (NTA), раманівську спектроскопію та атомно-силову мікроскопію (АСМ). Спектр поглинання демонструє виражене поглинання в ультрафіолетовій та синій областях спектра, пов’язане переважно з електронними переходами у C₆₀. Представлення даних у координатах Тауца дає характерні енергії перетину поблизу 1,90, 2,13 та 2,88 еВ; ці значення розглядаються як ефективні енергії оптичних переходів, а не як незалежно встановлені значення ширини забороненої зони. Вимірювання методом NTA виявили широкий розподіл частинок за розмірами, зважений за їх кількістю, причому основна популяція частинок перебуває приблизно в діапазоні 100–200 нм, а розподіл характеризується протяжним низькоінтенсивним «хвостом» у напрямку більших розмірів. Кумулятивні параметри розподілу за розмірами становили:
D10 = 117,8 ± 15,1 нм, D50 = 155,2 ± 9,8 нм та D90 = 350,7 ± 78,9 нм. Аналіз раманівського спектра дозволив ідентифікувати характерні коливальні моди C₆₀ з урахуванням можливого внеску середовища ксилол/етанол. За результатами АСМ-аналізу встановлено неоднорідну морфологію плівки зі значною кількістю агрегатів, що формується після випаровування розчинника. Отримані результати забезпечують комплексну характеристику C₆₀ у досліджуваному середовищі ксилол/етанол (70:30) та створюють основу для подальших систематичних досліджень впливу складу розчинника.

Посилання

A.V. Baskar, M.R. Benzigar, S. N. Talapaneni, G. Singh, A. S. Karakoti, J. Yi, K. Ramadass, J. Joseph, M. P. Srinivasan, R. Vinu, A. Vinu, Self‐assembled fullerene nanostructures: synthesis and applications, Advanced functional materials, 32(6), 2106924 (2022); https://doi.org/10.1002/adfm.202106924.

S.A. Bakhramov, U.K. Makhmanov, B.A Aslonov, The Synthesis of C70 Fullerene Nanowhiskers Using the Evaporating Drop Method, Condensed Matter, 8 (3), 62 (2023); https://doi.org/10.3390/condmat8030062.

Z. Tan, J. Dong, Y. Liu, Q. Luo, Z. Li, T. Yun, J. Li, K. Yu, L. Miao, Y. Zhang, D. Huang, Nonlinear optics of graphitic carbon allotropes: from 0D to 3D, Nanoscale, 17, 1171 (2025); https://doi.org/10.1039/D4NR03467H.

R.B. Onyancha, K.E. Ukhurebor, U.O. Aigbe, O.A. Osibote, H.S. Kusuma, H. Darmokoesoemo, A methodical review on carbon-based nanomaterials in energy-related applications, Adsorption Science and Technology, 2022, 4438286 (2022); https://doi.org/10.1155/2022/443828.

T. Xu, W. Shen, W. Huang, X. Lu, Fullerene micro/nanostructures: controlled synthesis and energy applications, Materials Today Nano, 11, 100081 (2020); https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2020.100081.

P. Payal, P. Pandey, Role of nanotechnology in electronics: A review of recent developments and patents, Recent patents on nanotechnology, 16(1), 45 (2022); https://doi.org/10.2174/1872210515666210120114504.

S.K. Tiwari, V. Kumar, A. Huczko, R. Oraon, A.D. Adhikari, G.C. Nayak, Magical allotropes of carbon: prospects and applications, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 41(4), 257 (2016); https://doi.org/10.1080/10408436.2015.1127206.

M. Su, Y. Hu, A. Yu, Z. Peng, W. Long, S. Gao, P. Peng, B. Su, F.F. Li, Molecular engineering for high-performance fullerene broadband photodetectors, Nanoscale Advances, 3, 1096 (2021); https://doi.org/10.1039/D0NA00981D.

H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature, 318, 162 (1985); https://doi.org/10.1038/318162a0.

F. Giacalone, N. Martín, New Concepts and Applications in the Macromolecular Chemistry of Fullerenes, Advanced Materials, 22 (38), 4220 (2010); https://doi.org/10.1002/adma.201000083.

C.J. Brabec, M. Heeney, I. McCulloch, J. Nelson, Organic Photovoltaics: Materials, Device Physics, and Manufacturing Technologies, Advanced Materials, 22, 3839 (2010); https://doi.org/10.1021/ar990144m.

B. Liu, J. Jin, M. Liu, Mapping structure-property relationships in fullerene systems: a computational study from C20 to C60, npj Computational Materials, 10, 227 (2024); https://doi.org/10.1038/s41524-024-01410-7.

R. Meng, Q. Jiang, D. Liu, Fullerene-Based Heterojunctions for Non-Selective Absorption Transparent Solar Cells, ACS Omega, 9 (24), 25960 (2024); https://doi.org/10.1021/acsomega.4c00823.

L. Benatto, C.F. Marchiori, T. Talka, M. Aramini, N.A.D. Yamamoto, S. Huotari, V. Sessa, E. Vuorinen, M. Koehler, Comparing C60 and C70 as acceptor in organic solar cells: Influence of the electronic structure and aggregation size on the photovoltaic characteristics, Thin Solid Films, 697, 137827 (2020); https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137827.

U.K. Makhmanov, A.M. Kokhkharov, S.A. Bakhramov, S.A. Esanov, D. Erts, Self-assembly of C60 fullerene molecules in the hexane–xylene solvent system, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 30 (1), 80 (2022);. https://doi.org/10.1080/1536383X.2021.1992390.

A. Pal, S. Arabnejad, K. Yamashita, S. Manzhos, Influence of the aggregate state on band structure and optical properties of C60 computed with different methods, The Journal of Chemical Physics, 148(20), 204301 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5028329.

D. Faiman, S. Goren, E.A. Katz, M. Koltun, N. Melnik, A. Shames, S. Shtutina, Structure and optical properties of C60 thin films, Thin solid films, 295(1-2), 283 (1997); https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)09043-8.

P.R. Jubu, O.S. Obaseki, A. Nathan-Abutu, F.K. Yam, Y. Yusof, M. B. Ochang, Dispensability of the conventional Tauc’s plot for accurate bandgap determination from UV–vis optical diffuse reflectance data, Results in Optics, 9, 100273 (2022); https://doi.org/10.1016/j.rio.2022.100273.

S. Jalali-Asadabadi, E. Ghasemikhah, T. Ouahrani, B. Nourozi, M. Bayat-Bayatani, S. Javanbakht, L. Moeini-Ardakani, Z. Nourbakhsh, M. Yazdani-Kachoei, Electronic structure of crystalline buckyballs: fcc-C60, Journal of Electronic Materials, 45(1), 339 (2016); https://doi.org/10.1007/s11664-015-4080-2.