Синтез нанокристаллического PbS в растворе поливинилового спирта

3.2. Синтез нанокристаллического PbS в растворе поливинилового спирта.

Для получения нанокристаллических частиц PbS в растворе поливинилового спирта на первом этапе работы были проведены исследования по выбору оптимальной концентрации спирта. Было решено приготовить четыре раствора спирта с концентрациями 1%, 10^-1%, 10^-2%, 10^-3% и с концентрацией Pb(NO₃)₂ 10^-2M в каждом. При обработке данных спектрометра оказалось, что оптимальным из представленных растворов является 1% раствор ПВС. На следующем этапе работы было решено провести исследование влияния концентрации свинца на величину получаемых нанокристаллических частиц и соответственно энергий запрещенных зон. Было приготовлено четыре раствора нитрата свинца: 0,1М, 0,01М, 0,001М и 0,0001 в 1% растворе спирта. Далее, к полученным растворам добавляли свежеполученную серную воду. С полученных растворов были сняты спектры поглощения.

 

3.3. Синтез нанокристаллов в стеклянной матрице

Получение нанокристаллических PbS и PbTe проводили методом матричной изоляции в силикатном стекле. Первоначально использовали стекло следующего состава:

m(SiO₂) : m(B₂O₃) : m(Na₂CO₃) : m(CaO) = 6 : 2 : 2 : 3

Стехимиометрическую смесь исходных реактивов тщательно перетирали на воздухе в агатовой ступке, после чего отжигали при 1100^оС в течение 12 часов. Свежеосажденные и высушенные сульфиды перетирались с порошком стекол. Было приготовлено четыре смеси: с содержанием PbS/PbTe 6%, 0,6% массовых процента. Полученные массы наносились на пластинки и отжигались при 1200⁰С в течение 2 часов. С полученных стекол были сняты спектры поглощения.

 

3.4. Оптические измерения.

Спектрофотометрические измерения проводили на спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 35 в диапазоне длин волн 1100 – 190 нм. В качестве образца сравнения использовали дистиллированную воду при анализе наночастиц, полученных в матрице ПВС, и подложку Al₂O₃ при использовании стекла в качестве матрицы.

Ширину запрещенной зоны определяли из графиков в нормированных координатах по формуле:

 (1)

где m* - масса экситона, E_g – ширина запрещенной зоны для объемного кристалла, d – размер частиц, h – постоянная планка.

Из литературных данных [8] для PbS: E_g = 0,41 эВ и m* = 0,1825 m_e, для PbTe: E_g = 0,37 эВ и m* = 0,154 m_e (m_e – масса электрона, равная 9,109*10^-31 кг).

4. Результаты и их обсуждения.

4.1. Полупроводниковые наночастицы PbS, полученные в матрице ПВС.

При изменении концентрации Pb(NO₃)₂ в растворе поливинилового спирта наблюдается смещение края полосы поглощения, что объясняется изменением ширины запрещенной зоны полупроводниковых частиц с изменением их размера.

Также необходимо отметить, что оптимальный размер наночастиц для раствора 1% ПВС получается при концентрации Pb(NO₃)₂ 10^-3М. Об этом свидетельствует наибольшая интенсивность пиков поглощения для данного раствора (рис.1).

Рисунок 1. Сравнение спектров растворов 1% ПВС с разными концентрациями Pb(NO₃)₂.

4.2. Полупроводниковые наночастицы PbS и PbTe, полученные в матрице стекла.

При изменении концентрации PbS и PbTe в стекле так же, как и в растворе, наблюдается смещение края полосы поглощения, что объясняется изменением ширины запрещенной зоны полупроводниковых частиц с изменением их размера (рис.2).

Рисунок 2. Сравнение спектров стекол с разными концентрациями

полупроводниковых наночастиц.

Представленные спектры были построены в приведенных координатах Р²Е² от Е (прил. 1,2) и по формуле (1) были посчитаны значения размеров полученных наночастиц (табл. 1).

Таблица 1. Размеры наночастиц PbS и PbTe.

Исходные вещества	Концентрация прекурсора в смеси	Размер образующихся частиц, нм	Ширина запрещенной зоны, eV
Pb(NO3)2	10-1 М	6.9	2.15
Pb(NO3)2	10-2 М	6.8	2.1
Pb(NO3)2	10-3 М	6.16	2.55
Pb(NO3)2	10-4 М	5.12	3.5
PbS	6%	5.3	3.3
PbS	0.6%	5.21	3.4
PbTe	6%	5.31	3.25
PbTe	0.6%	5.26	3.3

 

5. Выводы

 

1.      Синтезированы наноразмерные частицы сульфидов свинца в матрице поливинилового спирта. Показано что при концентрации матрицы ПВС – 1% размеры частиц зависят от концентрации исходного вещества.

2.       Синтезированы наноразмерные частицы сульфида и теллурида свинца в матрице стекла. Показано что при концентрации данном методе синтеза размеры частиц практически не зависят от концентрации исходного вещества.

6. Список литературы.

1.      T. Okuno, A. Lipovskii, T. Ogawa, I. Amagai, Y.Masumoto. Journal of Luminescence 87-89 (2000) 491-493;

2.      Y. Baolong, Z. Congshan, X. Haining, C. Hangbing, G. Fuxi. Journal of Material Science Letters 16 (1997) 2001-2004;

3.      Справочник // Физико-химические свойства полупроводников. Москва «Наука» 1979

4.      X. Ai, L. Guo, Y. Zou, Q. Li, H. Zhu // Mater. Lett. 38 (1999) 131 – 135.

5.      S. Lu, U. Sohling, T. Krajewski et al. // J. Mater. Sci. Lett. 17 (1998) 2071 – 2073.

6.      C. Wang, W. Zhang, X. Qian et al. // Mater. Lett. 40 (1999) 255 – 258.

7.      N. Parvathy, G. Pajonk et al. // J. Cryst. Growth 179 (1997) 249 – 257.

8.      V. Erokhin, P. Facci et al. // Thin Solid Films 327 – 329 (1998) 503 – 505.

9.      Y. Jiang, Y. Wu, B. Xie et al. // J. Cryst. Growth 231 (2001) 248 – 251.

10.    «Физико-химические величины». Справочник. М.: «Энергоатомиздат», 1991.

11.    P.Nemec, I.Nemec, P.Nahalkova, K.Knizek, P.Maly // J. Cryst. Growth 240 (2002) 484-488.

7. Приложения.

Московский Государственный Университет

имени М.В. Ломоносова

Факультет Наук о Материалах

Отчет по задаче спецпрактикума

“Синтез нанокристаллических полупроводниковых частиц”

Студенты 5 курса:

Орлов А.В.

Пентин И.В.

 

Руководители работы:

к.х.н. Лукашин А.В.

Елисеев А. В.

Москва – 2003