Synthesis and characterizations of ZnO nanoflowers prepared by one step microwave assisted solvothermal route for optoelectronic applications

Editorial Board PCSS Journal; Раві Шанкар Раі; Рубі Пант; Шріші Чаудхарі; Рупеш Гупта; Чандрмані Ядав

doi:10.15330/pcss.27.1.74-85

Автор(и)

Раві Шанкар Раі Кафедра автоматизації та робототехніки, Інженерний коледж Раджарші Шаху (JSPM), Пуна, Махараштра, Індія
Рубі Пант Кафедра машинобудування, Університет Уттаранчал, Деградун, Уттаракханд, Індія
Шріші Чаудхарі Університетський центр досліджень і розробок, Університет Чандігарх, Гаруан, Пенджаб, Індія
Рупеш Гупта Інститут інженерії та технологій Університету Чіткара, Університет Чіткара, Пенджаб, Індія;
Чандрмані Ядав Дослідницький центр Університету Марваді, факультет інженерії та технологій, кафедра машинобудування, Університет Марваді, Раджкот, Гуджарат, Індія

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.74-85

Ключові слова:

мікрохвильове опромінення, сольвотермальний метод, синтез, ZnO, наноквіти, оптоелектроніка

Анотація

У даному дослідженні було синтезовано квіткоподібні нанокристали ZnO (наноквіти) швидким одностадійним мікрохвильовим сольвотермальним методом із використанням гексагідрату нітрату цинку та гексаметилентетраміну, як прекурсорів. Синтез тривав п’ять хвилин, здійснювався із застосуванням недорогих реагентів та без використання високотемпературних печей, що забезпечує ефективний та економічно доцільний підхід. Структурний аналіз методом Х-променевої дифракції підтвердив високу кристалічність наноквітів ZnO, тоді як скануюча електронна мікроскопія з польовою емісією виявила їх характерну квіткоподібну морфологію із середнім розміром частинок близько 18 нм. Оптичні властивості досліджувалися методом УФ-видимої спектроскопії; чіткий максимум поглинання поблизу 348 нм свідчить про добру монодисперсність. Оптична ширина забороненої зони, визначена за співвідношенням Таука, становить 3,22 еВ, що є суттєво меншим значенням, порівняно із масивним ZnO (3,51 еВ) та вказує на червоне зміщення. Обчислена енергія Урбаха (0,34 еВ) свідчить про низький рівень структурної невпорядкованості в наноструктурах. Поєднання швидкого синтезу, контрольованої морфології, високої кристалічності та сприятливих оптичних характеристик підкреслює новизну та значний потенціал наноквітів ZnO для перспективних оптоелектронних і фотонних пристроїв.

Посилання

J. Wang, R. Chen, L. Xiang, S. Komarneni, Synthesis, properties and applications of ZnO nanomaterials with oxygen vacancies: A review. Ceram Int, 44(7), 7357 (2018); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.02.013.

N.A Hammed, A.A Aziz, A.I Usman, M.A Qaeed. The sonochemical synthesis of vertically aligned ZnO nanorods and their UV photodetection properties: Effect of ZnO buffer layer. Ultrason Sonochem, 50, 172 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.09.020.

A. Galdámez-Martinez, G. Santana, F. Güell, PR. Martínez-Alanis, A. Dutt Photoluminescence of zno nanowires: A review. Nanomaterials, 10(5), 857 (2020); https://doi.org/10.3390/nano10050857.

T. Blachowicz, A. Ehrmann, Recent developments in electrospun ZnO nanofibers: A short review. J Eng Fiber (2020); https://doi.org/10.1177/1558925019899682.

K. Qi, B. Cheng, J. Yu, W. Ho, Review on the improvement of the photocatalytic and antibacterial activities of ZnO. J Alloys Compd, 727, 792 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.08.142.

H.H. Azeez, A.A. Barzinjy, S.M. Hamad. Structure, synthesis and applications of ZnO nanoparticles: A review. Jordan J Phys, 13(2), 123 (2020); https://doi.org/10.47011/13.2.4.

J. Theerthagiri, S. Salla, R.A. Senthil, P. Nithyadharseni, A. Madankumar, P. Arunachalam, et al. A review on ZnO nanostructured materials: Energy, environmental and biological applications. Nanotechnology, 30(39), 392001 (2019); https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab268a.

L.J. Chen, Y.C. Chang, J.H. He. ZnO Nanostructures and Device Applications. ECS Trans (2019); https://doi.org/10.1149/1.2731176.

C. Li, Q. Hou. The effects of point defects on the electronic and magnetic properties of GaN/ZnO heterojunction polar interface. Comput Mater Sci (2019); https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.10.032.

G. Wang, W. Tang,, L. Geng, Y. Li, B. Wang, J. Chang, et al. Rotation Tunable Photocatalytic Properties of ZnO/GaN Heterostructures. Phys Status Solidi Basic Res, 257(3), 1900663 (2020); https://doi.org/10.1002/pssb.201900663.

J. Wang, X. Xi, S. Lin, X. Li, T. Hu, L. Zhao, Effective photocatalytic water splitting enhancement using GaN/ZnO/NiO core/shell nanocolumns. J Renew Sustain Energy 13(1), 013702 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0035348.

A. Sulciute, K. Nishimura, E. Gilshtein, F. Cesano, G. Viscardi, A.G. Nasibulin, et al. ZnO Nanostructures Application in Electrochemistry: Influence of Morphology. J Phys Chem C, 125, 1472 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c08459.

P. Uikey, K. Vishwakarma, Review of Zinc Oxide (Zno) Nanoparticles Applications and Properties. Int J Emerg Technol Comput Sci Electron (2016).

R.S. Rai, V. Bajpai, Recent advances in ZnO nanostructures and their future perspective. Adv Nano Res (2021); https://doi.org/10.12989/anr.2021.11.1.037.

K. Żelechowska, Methods of ZnO nanoparticles synthesis. Biotechnologia, 95(2), 150 (2014); https://doi.org/10.5114/bta.2014.48857.

V. Gerbreders, M. Krasovska, E. Sledevskis, A. Gerbreders, I. Mihailova, E. Tamanis, et al. Hydrothermal synthesis of ZnO nanostructures with controllable morphology change. CrystEngComm, 22(8), 1346 (2020); https://doi.org/10.1039/c9ce01556f.

D. Kumar, R.S. Rai, N.K. Singh, An innovative approach to deposit ultrathin ZnO nanoflakes (2D) through hydrothermal assisted electrochemical discharge deposition and growth method. Ceram Int; 46, 26216 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.009.

K. Edalati, A. Shakiba, J. Vahdati-Khaki, SM. Zebarjad. Low-temperature hydrothermal synthesis of ZnO nanorods: Effects of zinc salt concentration, various solvents and alkaline mineralizers. Mater Res Bull, 74? 374 (2016); https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.11.001.

H.D. Cho, D.Y. Kim, J.K. Lee. Zno nanorod/graphene hybrid-structures formed on Cu sheet by self-catalyzed vapor-phase transport synthesis. Nanomaterials, 11(2), 450 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11020450.

R.S. Rai, V. Bajpai, Hydrothermally grown ZnO NSs on Bi-Directional woven carbon fiber and effect of synthesis parameters on morphology. Ceram Int, (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.180.

D. Kumar, R.S. Rai, N.K. Singh, An innovative approach to deposit ultrathin ZnO nanoflakes (2D) through hydrothermal assisted electrochemical discharge deposition and growth method. Ceram Int (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.009.

Shankar Rai R. Carbon fiber fabrics functionalized with monoclinic CuO nanostructures using seed-assisted hydrothermal growth treatment. Ceram Int; 50, 44635 (2024); https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2024.08.311.

R.S. Rai, V. Bajpai, Fabrication of ZnO nanostructures on woven carbon fiber via hydrothermal route and effect of synthesis conditions on morphology. Int. Conf. Precision, Meso, Micro Nano Eng. IIT Indore, 1 (2019).

S. Baruah, J. Dutta, Hydrothermal growth of ZnO nanostructures. Sci Technol Adv Mater; 10 (2009); https://doi.org/10.1088/1468-6996/10/1/013001.

J. Wojnarowicz, T. Chudoba, W. Lojkowski, A review of microwave synthesis of zinc oxide nanomaterials: Reactants, process parameters and morphoslogies. Nanomaterials, 10(6), 1086(2020); https://doi.org/10.3390/nano10061086.

H. Sun, L. Sun, T. Sugiura, White MS, Stadler P, Sariciftci NS, et al. Microwave-assisted hydrothermal synthesis of structure-controlled ZnO nanocrystals and their properties in dye-sensitized solar cells. Electrochemistry, 85(5), 253 (2017); https://doi.org/10.5796/electrochemistry.85.253.

N. Senthilkumar, E. Vivek, M. Shankar, M. Meena, M. Vimalan, I.V. Potheher. Synthesis of ZnO nanorods by one step microwave-assisted hydrothermal route for electronic device applications. J Mater Sci Mater Electron, 29(4), (2018); https://doi.org/10.1007/s10854-017-8223-5.

V. Musat, A. Filip, N. Tigau, R. Dinica, E. Herbei, C. Romanitan, et al. 1D nanostructured ZnO layers by microwave - Assisted hydrothermal synthesis. Rev Chim, (2018); https://doi.org/10.37358/rc.18.10.6625.

Z. Zhu, D. Yang, H. Liu, Microwave-assisted hydrothermal synthesis of ZnO rod-assembled microspheres and their photocatalytic performances. Adv Powder Technol, 22, 493 (2011); https://doi.org/10.1016/j.apt.2010.07.002.

K.R. Ahammed, M. Ashaduzzaman, S.C. Paul, M.R. Nath, S. Bhowmik, O. Saha, et al. Microwave assisted synthesis of zinc oxide (ZnO) nanoparticles in a noble approach: utilization for antibacterial and photocatalytic activity. SN Appl Sci, 2(95), (2020); https://doi.org/10.1007/s42452-020-2762-8.

M. Yalcin, Microwave-assisted synthesis of ZnO nanoflakes: Structural, optical and dielectric characterization. Mater Res Express, 7(5), (2020). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab940f.

D. Sharma, S. Sharma, B.S. Kaith, J. Rajput, M. Kaur, Synthesis of ZnO nanoparticles using surfactant free in-air and microwave method. Appl Surf Sci, 257(22), 9661 (2011); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.06.094.

R. Al-Gaashani, S. Radiman, A.R. Daud, N. Tabet, Y. Al-Douri, XPS and optical studies of different morphologies of ZnO nanostructures prepared by microwave methods. Ceram Int; 39, 2283 (2013); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.08.075.

D. Kumar, R.S. Rai, V. Bajpai, N.K. Singh. Mass fabrication of 2D nanostructure (ZnO) in chemical growth solution using tip induced lithography. Mater Manuf Process; 1 (2021); https://doi.org/10.1080/10426914.2021.1960993.

J.W. Nowak, R.S.W. Braithwaite, J. Nowak, K. Ostojski, M. Krystek, W. Buchowiecki, Formation of large synthetic zincite (ZnO) crystals during production of zinc white. J Gemmol, 30(5), 257 (2007); https://doi.org/10.15506/jog.2007.30.5.257.

H. Shelton, M.C. Barkley, R.T. Downs, R. Miletich, P. Dera, Hydrogen bond effects on compressional behavior of isotypic minerals: high-pressure polymorphism of cristobalite-like Be(OH)2. Phys Chem Miner 43(8), 571 (2016); https://doi.org/10.1007/s00269-016-0818-5.

K. Ocakoglu, S.A. Mansour, S. Yildirimcan, A.A. Al-Ghamdi, F. El-Tantawy, F. Yakuphanoglu, Microwave-assisted hydrothermal synthesis and characterization of ZnO nanorods. Spectrochim Acta - Part A Mol Biomol Spectrosc,148, 362 (2015); https://doi.org/10.1016/j.saa.2015.03.106.

I Ben Saad, N. Hannachi, T. Roisnel, F. Hlel, Optical, UV-Vis spectroscopy studies, electrical and dielectric properties of transition metal-based of the novel organic-inorganic hybrid (C6 H10 N2)(Hg2Cl5)2.3H2O. J Adv Dielectr, (2019); https://doi.org/10.1142/S2010135X19500401.

Bhawna, Roy M, Vikram, Borkar H, Alam A, Aslam M. Spontaneous anion-exchange synthesis of optically active mixed-valence Cs2Au2I6perovskites from layered CsAuCl4perovskites. Chem Commun (2021); https://doi.org/10.1039/d0cc06922a.

A.H. Moharram, S.A. Mansour, M.A. Hussein, M. Rashad, Direct precipitation and characterization of ZnO nanoparticles. J Nanomater, 2014(7), (2014); https://doi.org/10.1155/2014/716210.

A. Elkhidir Suliman, Y. Tang, L. Xu, Preparation of ZnO nanoparticles and nanosheets and their application to dye-sensitized solar cells. Sol Energy Mater Sol Cells (2007); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2007.05.014.

S. Zandi, P. Kameli, H. Salamati, H. Ahmadvand, M. Hakimi, Microstructure and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by a simple method. Phys B Condens Matter, 406, 3215 (2011); https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.05.026.

M. Kahouli, A. Barhoumi, A. Bouzid, A. Al-Hajry, S. Guermazi, Structural and optical properties of ZnO nanoparticles prepared by direct precipitation method. Superlattices Microstruct, 85, 7 (2015); https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.05.007.

A. Bougrine, A. El Hichou, M. Addou, J. Ebothé, A. Kachouane, M. Troyon, Structural, optical and cathodoluminescence characteristics of undoped and tin-doped ZnO thin films prepared by spray pyrolysis. Mater Chem Phys, 80(2), 438 (2003); https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00505-9.

M. Caglar, S. Ilican, Y. Caglar, F. Yakuphanoglu, Electrical conductivity and optical properties of ZnO nanostructured thin film. Appl Surf Sci, 255, 4491(2009); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.11.055.

G. Poongodi, P. Anandan, R.M. Kumar, R. Jayavel, Studies on visible light photocatalytic and antibacterial activities of nanostructured cobalt doped ZnO thin films prepared by sol-gel spin coating method. Spectrochim Acta - Part A Mol Biomol Spectrosc, 5(148), 237(2015); https://doi.org/10.1016/j.saa.2015.03.134.

M. Wang, F. Ren, J. Zhou, G. Cai, L. Cai, Y. Hu, et al. N Doping to ZnO Nanorods for Photoelectrochemical Water Splitting under Visible Light: Engineered Impurity Distribution and Terraced Band Structure. Sci Rep, 5(1), 12925 (2015); https://doi.org/10.1038/srep12925.

D. Panda, T.Y. Tseng. One-dimensional ZnO nanostructures: Fabrication, optoelectronic properties, and device applications. J Mater Sci, 48(20), 6849 (2013); https://doi.org/10.1007/s10853-013-7541-0.

K. Kong, J. Seo, B.K. Deka, H.W. Park, Experimental study for the improvement of the impact property of carbon fiber composites, 1641 (2015).

X. Wang, M. Ahmad, H. Sun, Three-dimensional ZnO hierarchical nanostructures: Solution phase synthesis and applications. Materials (Basel), 10, 1 (2017); https://doi.org/10.3390/ma10111304.

N. Zheng, Y. Huang, W. Sun, X. Du, H.Y. Liu, S. Moody, et al. In-situ pull-off of ZnO nanowire from carbon fiber and improvement of interlaminar toughness of hierarchical ZnO nanowire/carbon fiber hydrid composite laminates. Carbon N Y, 110 (10), 69 (2016); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.09.002.

G.J. Ehlert, U. Galan, H.A. Sodano. Role of surface chemistry in adhesion between ZnO nanowires and carbon fibers in hybrid composites. ACS Appl Mater Interfaces, 5(3), 635 (2013); https://doi.org/10.1021/am302060v.

H. Moussa, E. Girot, K. Mozet, H. Alem, G. Medjahdi, R. Schneider, ZnO rods/reduced graphene oxide composites prepared via a solvothermal reaction for efficient sunlight-driven photocatalysis. Appl Catal B Environ, 185, 11 (2016); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.12.007.

T.S. Velayutham, W.H. Abd Majid, W.C. Gan, A. Khorsand Zak, S.N. Gan. Theoretical and experimental approach on dielectric properties of ZnO nanoparticles and polyurethane/ZnO nanocomposites. J Appl Phys 112(101), (2012); https://doi.org/10.1063/1.4749414.

Y. Chen, Y. Wang, J. Fang, B. Dai, J. Kou, C. Lu, et al. Design of a ZnO/Poly(vinylidene fluoride) inverse opal film for photon localization-assisted full solar spectrum photocatalysis. Chinese J Catal, 42(1), 184 (2020); https://doi.org/10.1016/S1872-2067(20)63588-4.

H. Deng, F. Xu, B. Cheng, J. Yu, W. Ho, Photocatalytic CO2 reduction of C/ZnO nanofibers enhanced by an Ni-NiS cocatalyst. Nanoscale, 12, 7206 (2020); https://doi.org/10.1039/c9nr10451h.