CC BY
47
АНАЛИЗ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ГИБРИДНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
НАНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДОВ МЕТАЛЛОВ В МАТРИЦЕ ИЗ
ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА
Фарус Оксана Анатольевна канд. хим. наук, доцент, ОГПУ, РФ, г. Оренбург
E-mail: farusok@yandex.ru
ANALYSIS OF THE ABSORPTION OF NANOCOMPOSITE MATERIALS HYBRID BASED NANOCRYSTALS METAL SULFIDE IN A POLYVINYL
ALCOHOL MATRIX
Oksana Farus
candidate of chemical science, Associate Professor of Orenburg State Pedagogical
University, Russia Orenburg
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены оптические свойства гибридных нанокомпозитных материалов на основе поливинилового спирта и наночастиц сульфидов свинца, ртути и кадмия. Произведены расчеты ширины запрещенной зоны и размера наночастиц в синтезированных материалах.
ABSTRACT
The optical properties of hybrid nanocomposite materials based on polyvinyl alcohol and nanoparticles sulphides of lead, mercury and cadmium. The calculation of the band gap and the size of nanoparticles in the synthesized materials.
Ключевые слова: гибридные нанокомпозитные материалы; оптические свойства; наночастицы сульфидов металлов; экситон; спектры поглощения; ширина запрещенной зоны.
Keywords: hybrid nanocomposite materials, optical properties, nanoparticles of metal sulfides; exciton; absorption spectra; bandgap.
Введение.
Современный этап развития науки характеризуется поиском и созданием современных стабильных материалов, полученных на основе наночастиц полупроводников, с определенным набором оптических свойств. Одной из
основных проблем в создании таких систем, является нестабильность фаз в нанокристаллическом состоянии.
Для стабилизации подобных систем широко используют метод, основаный на получении гибридных материалов. В подобных системах частицы помещаются в химически совместимую с ними матрицу, что делает их более удобными в практическом применении. Создание подобных материалов защищает наночастицы от агрегации, и от внешних воздействий (например, от окисления кислородом воздуха).
В качестве матрицы целесообразно использовать стабильные и широко доступные полимеры, такие как поливиниловый спирт (ПВС). Данный полимер имеет ряд преимуществ: легко смешивается как с органическими, так и с неорганическими наполнителями; относится к термопластичным полимерам, что позволяет изготавливать на его основе изделия необходимой формы и размеров в мягких условиях; его стоимость не высока, технология и производство хорошо разработаны [1—4].
Экспериментальная часть.
Нами были получены бинарные нанокомпозитные материалы на основе ПВС и сульфидов металлов, в виде монолитных структур золь-гель методом.
Были изучены оптические свойства полученных композитов, содержащие наночастицы сульфидов металлов, поскольку ПВС характеризуется максимами поглощения, снятие спектра производилось относительно пленки чистого ПВС.
Для исследования спектральной зависимости коэффициента поглощения от концентрации ионов металлов был проведен сравнительный анализ спектров поглощения пленок, полученных из растворов с концентрацией ионов 10-1М и 10-2М (рис. 1).
190 250 310 370 430 490 550 610 670 Л, нм 316 376 436 496 556 616 676 736 796 д
а) б)
Рисунок 1. Спектры поглощения пленок на основе ПВС и сульфидов металлов а) концентрация исходного прекурсора 0,1 моль/л; б) концентрация исходного прекурсора 0,01 моль/л
Обсуждение результатов.
Полученные спектральные данные позволяют сделать вывод, что материалы, содержащие большую долю наночастиц, имеют несколько максимумов поглощения, следовательно, в них содержится наночастицы различного размера. Образцы массовая доля частиц, в которых в десять раз меньше, характеризуются наличием одного максимума, что свидетельствует об образовании частиц одного размера.
Полученные материалы также были исследованы оптическим методом [6], который подтвердил, что при уменьшении концентрации исходного реагента происходит уменьшение размера наночастиц. Для таких систем должен происходит сдвиг максимума поглощения в синюю часть спектра. Для исследуемых систем наблюдается сдвиг в красную часть спектра. Это можно объяснить тем, что оптические свойства полупроводниковых наночастиц определяются отношением их радиуса (а) к Боровскому радиусу экситона объемного материала (аех). Необходимо учитывать при анализе экспериментальных данных три случая: а>>аех, а~аех, а<<аех.
Исследуемые НЧ обладают достаточно большим радиусом Боровской орбиты (а<<аех) и сравнительно низкой эффективной массой, поэтому поведение электрона и дырки будет сравнимо с поведением
невзаимодействующих частиц в потенциальной яме. Для таких частиц, согласно литературным данным, увеличение ширины запрещенной зоны приводит к смещению края полосы поглощения при уменьшении размеров частиц в сторону больших длин волн [3, 5].
Анализ спектров поглощения позволил рассчитать ширину запрещенной зоны и размер частиц. Для этого был построен график зависимости е2Е2/Е, где е — коэффициент экстинкции, Е — энергия. Для гибридных композитов, содержащие наночастицы сульфида кадмия приведены на рисунке 2.
гч
-
гч СО
6,21
5,85 5,64 5,49 5,39 5,17 4,96
Е, эВ
Рисунок 2. Спектры поглощения пленок С^Б-ПВС в нормированных
координатах
Размер частиц (С) был рассчитан по формуле:
_ ¡12П2
где: m* — масса экситона,
Eg — ширина запрещенной зоны для объемного кристалла, h — постоянная Планка.
Все полученные данные сведены в таблицу (табл.1).
Таблица 1.
Оптические свойства бинарных нанокомпозитных материалов
НЧ Способ синтеза (концентрация ионов металла) Максимум полосы поглощения (1, Нм) Энергия перехода (АЕ, эВ) Размер частиц (d, Нм)
РbS Золь-гель метод (10-1М) 250 386 4,97 3,22 2,72-3,5
HgS Золь-гель метод (10-1М) 238 372 5,22 3,37 4,9-6,1
СdS Золь-гель метод (10-1М) 240 372 5,18 4,56 3,6-4,1
Таким образом, были исследованы оптические свойства композиционных гибридных наноматериалов, содержащих наночастицы сульфидов металлов. В результате исследования была обнаружена возможность создания оптически прозрачных, слабо рассеивающих полимерных матриц с наночастмцами.
Список литературы
1. Гуляева Е.В. Синтез наночастиц CdS, ZnS И Ag2S в жидких системах с ПАВ: автореф. дис. ... канд. хим. наук (02.00.11) М., 2013. — 18 с.
2. Королева М.Ю. Устойчивость и оптические свойства дисперсий наночастиц CdS, ZnS и Ag2S, синтезированных в микроэмульсии // Журнал неорганической химии. — 2012. — Т. 57. — № 3. — С. 69—75.
3. Лукашин А.В., Елисеев А. А. Синтез полупроводниковых наночастиц сульфида свинца и сульфида кадмия [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/kaul/7_ Nanokolloid_red.pdf
4. Пак В.Н. Оптические свойства наночастиц сульфидов цинка и кадмия в силикагеле // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. — 2008. — № 64. — С. 11—13.
5. Соловьёв В.Г. Размерные эффекты в наноструктурах на основе регулярных пористых матриц [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
http://cyberlenmka.ru/artide/n/razmemye-effekty-v-nanostmkturah-na-osnovere- gulyarnyh-poristyh-matrits 6. Фарус О. А. Получение нанокомпозитов на основе поливинилового спирта и наночастиц сульфидов свинца, ртути и кадмия (ПВС-MeS, где Me=Pb, Cd) и сравнение их устойчивости с аналогичными микроэмульсиями //Инновации в науке. Новосибирск. — 2013. — № 23. — С. 14—18.
