Optical, structural and radiospectroscopic studies of ZnO/MnO nanostructures synthesized by ultrasonic spray pyrolysis

Editorial Board PCSS Journal; О. В. Коваленко; В.Ю. Воровський; Н.І. Березовська; І.М. Дмитрук; Д.В. Корбутяк; В. О. Юхимчук

doi:10.15330/pcss.26.2.447-456

Автор(и)

О. В. Коваленко Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, м. Дніпро, Україна
В.Ю. Воровський Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, м. Дніпро
Н.І. Березовська Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ, Україна; Інститут фізики НАН України, м. Київ, Україна
І.М. Дмитрук Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ, Україна; Інститут фізики НАН України, м. Київ, Україна
Д.В. Корбутяк Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, м. Київ, Україна
В. О. Юхимчук Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, м. Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.2.447-456

Ключові слова:

Оксид цинку, нанокристали, магнітні домішки, дефекти, ультразвуковий розпилювальний піроліз, рентгенівська дифракція, електронний парамагнітний резонанс, комбінаційне розсіювання, фотолюмінесценція

Анотація

Розроблено технологію синтезу нанокристалів (НК) ZnO та ZnO, легованого магнітною домішкою Mn у концентраціях 2% та 4%, методом ультразвукового піролізу аерозолю. Структурні, морфологічні та оптичні властивості синтезованих НК ZnO були досліджені методами рентгенівської дифракції, скануючої електронної мікроскопії, електронного парамагнітного резонансу (ЕПР), спектроскопії комбінаційного розсіювання та фотолюмінесценції. Дефектний приповерхневий шар у НК ZnO:Mn був ідентифікований на основі аналізу спектрів ЕПР. Термічний відпал зразків при T = 850°C призводить до впорядкування кристалічної структури НК ZnO:Mn. Межа розчинності домішки Mn становить менше 2%. Аналіз спектрів комбінаційного розсіювання показав, що НК ZnO:Mn покриті оболонками ZnMn₂O₄ та d--MnO₂. Значне збільшення інтенсивності екситонної фотолюмінесценції для наночастинок ZnO, спричинене покращенням структурної досконалості наночастинок, є результатом збільшення швидкості потоку рідини до 40 л/год під час процесу синтезу. Таким чином, оптимальні технологічні режими для формування високоякісних, структурно досконалих наночастинок ZnO можна розробити, змінюючи швидкість потоку рідини під час процесу синтезу.

Посилання

D. Raoufi, Synthesis and microstructural properties of ZnO nanoparticles prepared by precipitation method, Renewable Energy, 50, 932 (2013); https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.08.076.

M. M. Ba-Abbad, A .A. H. Kadhum, A. B. Mohamad, M. S. Takriff, K. Sopian, Optimization of process parameters using D-optimal design for synthesis of ZnO nanoparticles via sol-gel technique, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 19(1), 99 (2013); https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.07.010.

T. Wangensteen, T. Dhakal, M. Merlak, P. Mukherjee, M. H. Phan, S. Chandra, H. Srikanth, S. Witanachchi, Growth of uniform ZnO nanoparticles by a microwave plasma process, Journal of Alloys and Compounds, 509(24), 6859 (2011); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.03.161.

B. W. Chieng, Y. Y. Loo, Synthesis of ZnO nanoparticles by modified polyol method, Materials Letters, 73, 78 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.01.004.

P. Rai, Y.-T. Yu, Citrate-assisted hydrothermal synthesis of single crystalline ZnO nanoparticles for gas sensor application, Sensors and Actuators B: Chemical, 173, 58 -65(2012); https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.05.068.

M. Vaghayenegar, A. Kermanpur, M. H. Abbasi. Bulk syntheis of ZnO nanoparticles by the one-step electromagnetic levitational gas condensation method. Ceramics International, 38(7), 5871 (2012); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.04.038.

S. C. Tsai, Y. L. Song, C. S. Tsai, C. C. Yang, W. Y. Chiu, H. M. Lin, Ultrasonic spray pyrolysis for nanoparticles synthesis, Journal of Materials Science, 39, 3647 (2004). https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000030718.76690.11.

O. V. Kovalenko, V. Yu. Vorovsky, Dependence of magnetic properties of ZnO:Mn nanocrystals on synthesis conditions, Journal of nano- and electronic physics, 14(3). 03030 (2022); https://doi.org/10.21272/jnep.14(3).03030.

[9] O. V. Kovalenko, V. Yu. Vorovsky, O. V. Khmelenko, Ye. G. Plakhtii, Peculiarities of doping of ZnO:Mn nanocrystals as during their synthesis by the aerosol pyrolysis method, Journal of Physics and Electronics, 28(2), 91 (2020); https://doi.org/10.15421/332027.

M. Hasan, Q. Liu, A. Kanwal, T. Tariq, G. Mustafa, S. Batool, M. Ghorbanpour, A comparative study on green synthesis and characterization of Mn doped ZnO nanocomposite for antibacterial and photocatalytic applications, Scientific Reports, 14, 7528 (2024); https://doi.org/10.1038/s41598-024-58393-0.

D. Toloman, A. Mesaros, A. Popa, O. Raita, T. D. Silipas, B. S. Vasile, O. Pana, L. M. Giurgiu, Evidence by EPR of ferromagnetic phase in Mn-doped ZnO nanoparticles annealed at different temperatures. Journal of Alloys and Compounds, 551, 502 (2013); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.10.183.

S. Bhattacharyya, D. Zitoun, A. Gedanken, Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopic Investigation of Manganese Doping in ZnL (L = O, S, Se, Te) Nanocrystals, Nanoscience and Nanotechnology Letters, 3(4), 541 (2011). https://doi.org/10.1166/nnl.2011.1208.

H. Zhou, D. M. Hofmann, A. Hofstaetter, B. K. Meyer, Magnetic resonance investigation of Mn2+ in ZnO nanocrystals. J. Appl. Phys., 94(3), 1965 (2003). http://dx.doi.org/10.1063/1.1586986.

O. V. Kovalenko, V. Yu. Vorovsky, O. V. Khmelenkо, The effect of heat treatment on the magnetic properties of ZnO:Mn nananocrystals obtained by ultrasonic aerosol pyrolysis. Functional Materials, 27(4), 687 (2020); https://doi.org/10.15407/fm27.04.687.

O. V. Kovalenko, V. Yu. Vorovsky, O. V. Khmelenko, O. I. Kushnerov, Effect of short-term heat treatment in the hydrogen on magnetic properties of ZnO:Mn nanocrystals. Physics and Chemistry of Solid State, 23(3), 569 (2022). https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.569-574.

E. V. Lavrov, F. Herklotz, J. Weber, Identification of two hydrogen donors in ZnO, Phys. Rev. B, 79, 165210 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.165210.

D.M. Hoffmann, A. Hofstaetter, F. Leiter et al., Hydrogen: A Relevant Shallow Donor in Zinc Oxide, Phys. Rev. Lett., 88 (4), 045504 (2002); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.045504.

B. Yin, S. Zhang, H. Jiang, F. Qu, X. Wu, Phase-controlled synthesis of polymorphic MnO2 structures for electrochemical energy storage, J. Mater. Chem. A, 3, 5722 (2015); https://doi.org/10.1039/C4TA06943A.

B. Hadzic, N. Romcevic, M. Romcevic, I. Kuryliszyn-Kudelska, W. Dobrowolski, U. Narkiewicz, D. Sibera, Raman study of surface optical phonons in hydrothermally obtained ZnO(Mn) nanoparticles, Optical Materials, 58, 317, (2016); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.03.033.

F. Bertolotti, A. Tǎbǎcaru, V. Muşat, N. Ţigǎu, A. Cervellino, N. Masciocchi, A. Guagliardi, Band Gap Narrowing in Silane-Grafted ZnO Nanocrystals. A Comprehensive Study by Wide-Angle X-ray Total Scattering Methods, J. Phys. Chem. C, 125(8), 4806 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10502.

B. Cao, W. Cai, H. Zeng, Temperature-dependent shifts of three emission bands for ZnO nanoneedle arraus, Appl. Phys. Letters, 88, 161101 (2006); https://doi.org/10.1063/1.2195694.

A. F. Kohan, G. Ceder, D. Morgan, Chris G. Van de Walle, First-principles study of native point defects in ZnO, Phys. Rev. B, 61, 15019 (2000); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.15019.

F. Oba, S. R. Nishitani, S. Isotani, H. Adachi, I. Tanaka, Energetics of native defects in ZnO, J. Appl. Phys., 90(2), 824 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1380994.

P. Zhan, W. Wang, C. Liu, Y. Hu, Zh. Li Zh, Zhang, P. Zhang, B. Wang, X. Cao, Oxygen vacancy–induced ferromagnetism in un-doped ZnO thin films, J. Appl. Phys. 111, 033501 (2012); http://dx.doi.org/10.1063/1.3679560.

[25]. C. Gaspar, F. Costa, N. Monteiro. Optical characterization of ZnO. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 12, 269–271 (2001).

F. Güell, P. R. Martínez-Alanis, Tailoring the Green, Yellow and Red defect emission bands in ZnO nanowires via the growth parameters. Journal of Luminescence, 210, 128 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.02.017.

Y. N. Chen, S. J. Xu, C. C. Zheng, J. Q. Ning, F. C. C. Ling, W. Anwand, G. Brauer, W. Skorupa, Nature of red luminescence bad in research-grade ZnO single crystals: A “self-activated” configurational transition. Applied Physics Letters. 105, 041912 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/1.4892356.

R. Karmakar, S. K. Neogi, Aritra Banerjee, S. Bandyopadhyay, Structural; morphological; optical and magnetic properties of Mn doped ferromagnetic ZnO thin film, Applied Surface Science. 263, 671 (2012); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.133.

B. Panigrahy, M. Aslam, D. Bahadur, Aqueous Synthesis of Mn- and Co-Doped ZnO Nanorods, J. Phys. Chem. C, 114(27), 11758 (2010); https://doi.org/10.1021/jp102163b.