Нанорозмірні частинки, характеризуються аномальними фізико-хімічними властивостями порівняно з об’ємним зразком такого самого хімічного складу. Зокрема при переході до нанорозмірних частинок відбуваються суттєві зміни електричних, магнітних, оптичних, каталітичних та інших властивостей. Ці властивості роблять їх перспективними матеріалами для використання в мікроелектроніці, оптоелектроніці нелінійній оптиці та в інших галузях [1].
Сульфід цинку (ZnS) належить до прямозонних напівпровідникових матеріалів з шириною забороненої зони 3,68 еВ за кімнатної температурі і може бути використаний в різноманітних фотоелектронних пристроях, зокрема для виготовлення емісійних діодів і лазерів, що працюють у синьо-зеленій області спектру, вікон гетероперехідних сонячних елементів [2]. Для отримання наночастинок ZnS використовують різноманітні методи такі як: молекулярно-пучкова епітаксія, використання розчинів, методи колоїдної хімії, тощо.
Метою даної роботи є дослідження фізичних властивостей наночастинок ZnS отриманих електролітичним методом.
Наноструктурований сульфід цинку був отриманий електролітичним методом в скляному електролізері з цинковими електродами розмірами: діаметр - 8 мм і висота - 200 мм. В якості електроліту використовувався розчин тіосульфату натрію в дистильованій води з концентрацією 39 г/л. Процес електролізу проводився за кімнатної температури (25 0С). Тривалість експерименту складала 2 год., при густині струму 2,54 10-2 А/см2. Живлення електролізера здійснювалося від регульованого стабілізованого джерела постійного струму. Для рівномірного використання цинкових електродів здійснювався реверс напряму постійного струму. Час реверсу складав 30 хв.
Після закінчення електролізу електроліт, фільтрували за допомогою паперового фільтру і отриманий порошок промивали п’ятикратним об'ємом дистильованої води. Зразки висушували на повітрі при кімнатній температурі. В кожному експерименті визначали масу цинкових електродів і масу отриманого порошку.
Іонометр И-130 М був використаний для визначення рН електроліту, значення якого відповідно на початку і в кінці процесу отримання наночастинок складало 8,1 і 8,5. Рентгенівські дослідження проводилися на рентгенівського дифрактометрі ДРОН – 4 з використанням CuKα випромінювання при кімнатній температурі. Вимірювання спектрів пропускання електроліту після закінчення процесу електролізу здійснювалися на спектрофотометрі Carry-50 за кімнатної температури.
Рис.1. Рентгенівська дифрактограма порошку ZnS і її розклад на гаусові компоненти
На рис.1. показано рентгенівську дифрактограму сульфіду цинку отриманого на протязі 2 год. з реверсуванням напряму постійного струму через 30 хв. за кімнатної температури електроліту. З останньої видно, що на ній присутні три широкі рефлекси, що свідчить про малі розміри отриманих частинок. Для аналізу отриманої дифрактограми була використана прикладна програма OriginPro 7.0 за допомогою якої експериментальна дифрактограма була розкладена на три смуги, які описуються функцією Гауса. Таким чином була отримана інформація про три рефлекси: значення кута 2θ, півширина β (ширина на половині висоти рефлексу) і інтегральна інтенсивність. На основі отриманої інформації і розрахунку за допомогою формули Вульфа-Брега d sinθ = kλ, було встановлено, що були отримані рефлекси від таких площин (111) (2θ = 29,30), (220) (2θ = 48,98), (311) (2θ = 58,36). Це відповідає кубічній структурі – типу сфалерит. Таким чином нами отримані нанокристали ZnS кубічної системи.
Розміри зразків сульфіду цинку визначені на основі формули Дебая-Шеррера [3]
Please use another browser to view content, (1)Тут k – коефіцієнт, значення якого залежить від форми частинки (k = 0.89); λ – довжина хвилі рентгенівського випромінювання; β – півширина – ширина на половині висоти рентгенівського рефлексу – фізичне значення півширини; 2θ – кутове положення рентгенівського рефлексу.
Фізичне значення півширини обчислено за формулою
Please use another browser to view content, (2)де β1 – експериментальне значення півширини рентгенівського рефлексу; β2 – інструментальне значення півширини рентгенівського рефлексу.
Інструментальне значення півширини рентгенівських рефлексів визначалося на основі аналізу рентгенівських дифрактограм для еталонного порошку кремнію і Al2O3, які були зареєстровані при тих самих умовах. Проведені розрахунки показали, що для різних рефлексів були отримані різні результати, а їх середнє значення складає величину порядку 1,21 нм.
Рис. 2. Залежність величини (αhν)2 від енергії фотона hν
Після закінчення процесу отримання наночастинок сульфіду цинку частина електроліту була використана для вимірювання спектрів пропускання. Вимірювання спектрів пропускання проводилося на спектрофотометрі Carry-50 за кімнатної температури. ZnS належить до прямозонних напівпровідників, а тому для визначення ширини забороненої зони з спектрів пропускання були розрахована величина αhν, де α – коефіцієнт поглинання, h – стала Планка і ν частота фотона. Був побудований графік залежності величини (αhν)2 від енергії фотона hν і з прямолінійної ділянки знайдено ширину забороненої зона, яка складає 3,71 еВ (Рис. 2).
Список літератури
- Діденко О.З., Стрижак П.Є., Космамбетова Г.Р., Кальчук Н.С. Синтез і морфологія низько розмірних квантових систем ZnO/MgO Фізика і хімія твердого тіла Т. 10, №1, 2009, С. 106-111.
- Курбатов Д., Опанасюк А., Опанасюк Н., Данильченко С. Структурні та оптичні характеристики плівок сульфіду цинку, отриманих методом квазізамненого об’єму. Вісник Львівського університету. Серія фізична. 2008, Вип. 42, С. 108-118.
- Камерон и Паттерсон Рентгенографическое определение размеров частиц. – УФН, Т. XXII, вып. 4, 1939. – С. 442-448.
