Синтез и свойства композитных материалов на основе наночастиц оксида цинка в диэлектрической матрице

Получен композитный материал на основе наночастиц оксида цинка, синтезированных химическим гидротермальным методом, и полимерной диэлектрической матрицы силиката натрия. Свободные наночастицы оксида цинка были сформированы при нагреве эквимолярного раствора нитрата цинка и гексаметилентетрамина с различными значениями показателя pH (от 3 до 5). Наночастицы были введены в водный раствор силиката натрия и послойно нанесены на кремниевую подложку путем центрифугирования. Методом растровой электронной микроскопии исследована структура и морфология как свободных наночастиц оксида цинка на кремниевой подложке, так и после внесения их в матрицу силиката натрия. Установлено, что полученные частицы обладают гексагональной кристаллической решеткой и имеют бимодальное распределение по размерам. После внесения в матрицу силиката натрия в ней остаются только небольшие наночастицы оксида цинка со средним диаметром 45 нм. Исследование спектров фотолюминесценции композитного материала, включающего наночастицы оксида цинка, полученные при различных значения pH исходного раствора, показало наличие экситонной и примесной полос фотолюминесценции с максимумами интенсивности, расположенными на длинах волн 383 и 590 нм соответственно. Наночастицы оксида цинка, находящиеся в стабилизирующей матрице силиката натрия, демонстрируют более высокую относительную интенсивность экситонной фотолюминесценции, чем свободные частицы. Наибольшая величина относительной интенсивности экситонной фотолюминесценции достигнута у композитного материала, включающего наночастицы, синтезированные при рН исходного раствора 3,35. Полученные композитные материалы могут найти применение в оптоэлектронных и фотовольтаических приборах, а также в качестве оптической среды безрезонаторных лазеров.

1. Kim S., Dulanga R.M. Somaratne S., Whitten J.E. Effect of Adsorption on the Photoluminescence of Zinc Oxide Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 2018;122:18985-18996. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b04715.

2. Hanemann T., Szabo D.V. Polymer-Nanoparticle Composites: From Synthesis to Modern Applications. Journal of Materials. 2010;3:3468-3472. https://doi.org/10.3390/ma3063468.

3. Figovskiy O.L., Kudryavtcev P.G. Liquid glass and aqueous solutions of silicates as a promising basis for technological processes for the production of new nanocomposite materials. Ingenerniy Vestnik Dona. 2014:29:1-42.

4. Davood R. Synthesis and photoluminescence characterization of ZnO nanoparticles. Journal of Luminescence. 2013;134:213-218. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.08.045.

5. Huige W., Hui W., Yijie X. An overview of lead-free piezoelectric materials and devices. Journal of Materials Chemistry C. 2018;6:12448-12462. https://doi.org/10.1039/C8TC04515A.

6. Bacaksiz E. The effect of zinc nitrate, zinc acetate and zinc chloride precursors on investigation of structural and optical properties of ZnO thin films. Journal of Alloys and Compounds. 2008:466:447-450. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.11.061.

7. Wang J. Synthesis and characterization of multipod, flower-like, and shuttle like ZnO frameworks in ionic liquids. Materials Letters. 2005;59:1405-1408. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2004.11.062.

8. Baruah S., Dutta J. Hydrothermal growth of ZnO nanostructures. Science and Technology of Advanced Materials. 2009;10:3002-3008. https://doi.org/10.1088/1468-6996/10/1/013001.

9. Chubenko E.B. [Hydrothermal deposition of ZnO nanostructures on silicon wafer]s. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2013;2:64-68. (In Russ.)

10. Shinde K.P., Pawar R.C., Sinha B.B., Kim H.S., Oh S.S., Chung K.C. Study of effect of planetary ball milling on ZnO nanopowder synthesized by co-precipitation. Journal of Alloys and Compounds. 2014;617:408-413. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.030.

11. Lu C.H., Hwang W.J., Godbole S.V. Microwave-hydrothermal synthesis and photoluminescence characteristics of zinc oxide powders. Journal of Materials Research. 2005;20:469-473. https://doi.org/10.1557/JMR.2005.0067.