Прислать материал
Исследование пористых золь-гель нанокомпозитов на основе диоксидов кремния и олова, модифицированных фуллеренолом
Поставленные задачи:
1. Получение слоев и порошков в системе «диоксид кремния – диоксид олова» с помощью золь-гель технологии;
2. Введение в систему «SiO2 – SnO2» модифицирующей добавки – фуллеренолов C60(OH)22-24 – с целью увеличения удельной поверхности образцов;
3. Исследование параметров пористой структуры матриц «SiO2 – SnO2» с введёнными фуллеренолами C60(OH)22-24;
4. Внедрение в золь-гель системы, модифицированные фуллеренолом C60(OH)22-24, квантовых точек (КТ) на основе PbS;
Анализ спектров фотолюминесценции образцов до и после введения КТ на основе сульфидов свинца.
В последние десятилетия особый интерес привлекают гибридные системы «пористые диэлектрические матрицы – квантовые точки». Избирательные пористые матрицы, как средство селективного отбора квантовых точек определенного размера, являются перспективными для применения в элементной базе фотоники.
В работе в качестве основных материалов были выбраны диоксиды кремния и олова. С помощью внедрения в пористые матрицы КТ на основе халькогенидов свинца, можно разработать газовые сенсоры, нелинейные оптические элементы или фотокаталитические системы. Для этого используют темплантный синтез, благодаря которому фуллеренол выступает в качестве жертвенного материала и позволяет внедрить КТ нужного размера.
В рамках работы были исследованы параметры пористой структуры полученных образцов, а также спектры люминесценции квантовых точек сульфида свинца, нанесенных на пористые матрицы с введенной модифицирующей добавкой и при ее отсутствии.
Для исследования параметров пористой структуры материалов использовали прибор СОРБИ MS и программное обеспечение SoftSorbiII, позволяющее проводить построение распределения пор по размерам. Для измерения спектров фотолюминесценции использовался спектрометр LabRam HR800, совмещенный с конфокальным микроскопом (производство фирмы Jobin-Yvon Horiba).
В качестве основных материалов выбраны следующие:
Диоксид кремния, за счет того, что существует возможность создавать матрицы с варьированием параметров пористой структуры;
Диоксид олова выбран благодаря оптической прозрачности, имеет большую ширину запрещенной зоны и малую концентрацию носителей заряда;
Фуллеренол - модифицирующая добавка, влияющая на удельную поверхность;
Квантовые точки PbS имеют широкий диапазон размеров, высокую фоточувствительность и обладают фотолюминесценцией в ИК-области спектра.
В настоящей работе с помощью золь-гель-технологии получили серию образцов нанокомпозита системы «диоксида кремния – диоксида олова» в разных мольных соотношениях.
Растворы-золи использовались для создания порошков и слоев без модифицирующей добавки и с модифицирующей добавкой фуллеренолов С60(OH)n (n=22-24). Фуллеренолы вводились в растворы на стадии приготовления золя. Концентрация фуллеренолов в спирте составила 1 мг/мл.
В дальнейшем, серия объемных порошков была исследована методами тепловом десорбции азота и капиллярной конденсации на приборе СОРБИ MS. Для слоев, используемых в качестве пористых матриц для квантовых точек сульфида синца (PbS), были исследованы спектры люминесценции (LabRamHR800, ФИЗТЕХ) и морфология поверхности (Ntegra-Terma фирма: NT-MDT).
Для оценки величины удельной поверхности в настоящей работе использовалось явление физической адсорбции инертного газа на исследуемом образце. Данный способ исследования реализуется в приборах серии СОРБИ.
Результаты измерения удельной поверхности описанных систем сведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты измерения удельной поверхности
|
Состав нанокомпозита |
100% SiO2 |
90% SiO2 – 10% SnO2 |
50% SiO2 – 50% SnO2 |
|
Sуд без введения добавки, м2/г |
19±6% |
348±6% |
189±6% |
|
Sуд после введения C60(OH)22-24, м2/г |
19±6% |
290±6% |
190±6% |
Как видно из таблицы 1, удельная поверхность образца состава 90% SiO2 – 10% SnO2 немного уменьшилась с 348 м2/г до 290 м2/г. Можно предположить, что образовавшиеся агрегаты фуллеренолов C60(OH)n (n=22-24) при отжиге немного уменьшили удельную поверхность, образовав дополнительную систему пор с радиусом более 14 нм.
По результатам исследования полных изотерм адсорбции можно сделать вывод, что введение модифицирующей добавки в пористую матрицу диоксидов кремния – олова, во всех образцах приводит к образованию дополнительной системы пор, которой ранее не наблюдалось. Можно предположить, что это связано с выжигом фулеренолов C60(OH)n (n=22-24) из пористой структуры.
На следующем этапе работы, полученные слои, модифицированные и не модифицированные фуллеренолами, использовали в качестве подложек для нанесения на них квантовых точек на основе сульфида свинца. Было установлено, что до нанесения квантовых точек золь-гель слои люминесценцией не обладали. По результатам исследования спектров фотолюминесценции, можно заметить, что в случае нанесения КТ PbS на подложку нанокомпозита SiO2 – SnO2 модифицированного водорастворимыми фуллереноломи наблюдается смещение спектральной характеристики люминесценции в более коротковолновую область. Предположительно, это связано с тем, что в данном случае пористая подложка выступила в качестве избирательной матрицы, т.е. были отобраны квантовые точки меньшего размера.
2. Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамоле-кулярной структуры адсорбентов и катализаторов. Новосибирск: Из-во СО РАН. 2002. 413 с.
3. Карнаухов А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. Новосибирск : Наука, 1999.
4. Semenov K.N., Charykov N.A., Keskinov V.N. Fullerenol synthesis and identification. Properties of the fullerenol water solutions // Journal of Chemical & Engineering Data, 2011, Т. 56, №. 2, p. 230-239