techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университетtechusgu-97Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСвойства наноразмерных пигментов Zn(1-x)CoхOProperties of Nanoscale Zn(1-x)CoхO Pigmentshttps://orcid.org/0000-0002-6335-0230БузькоВ. Ю.Buz’koV. Y.

Бузько Владимир Юрьевич, кандидат хими- ческих наук, доцент кафедры радиофизики и  нанотехнологий

ул. Ставропольская 149, г. Краснодар 350040

Scopus Author ID: 57223668439

РИНЦ AuthorID: 138793

ул. Московская 2, г. Краснодар 350072

Vladimir Y. Buz’ko, Сand. of Sci. (Chemistry), Associate Professor of the Department of Radiophysics and Nanotechnology

149 Stavropolskaya str., Krasnodar 350040

Scopus Author ID: 57223668439

РИНЦ AuthorID: 138793

buzkonmr@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0027-2925МамелинЮ. В.MamelinYu. V.

Мамелин Юрий Валерьевич, аспирант  кафедры радиофизики и нанотехнологий

ул. Ставропольская 149, г. Краснодар 350040

Scopus Author ID: 57205284231 

РИНЦ AuthorID: 933699

Yuri V. Mamelin, Post-Graduate Student of the Department of Radiophysics and Nanotechnology 

149 Stavropolskaya str., Krasnodar 350040

Scopus Author ID: 57205284231

РИНЦ AuthorID: 933699 

ymamelin@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9352-5970ИванинС. Н.IvaninS. N.

Иванин Сергей Николаевич, кандидат химических наук, инженер-исследователь НОЦ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов»

ул. Ставропольская 149, г. Краснодар 350040

Scopus Author ID: 57205188719

РИНЦ AuthorID: 1058391 

Sergey N. Ivanin, Сand. of Sci. (Chemistry), Research Engineer, REC "Diagnostics of the Structure and Properties of Nanomaterials

149 Stavropolskaya str., Krasnodar 350040

Scopus Author ID: 57205188719

РИНЦ AuthorID: 1058391 

ivanin18071993@mail.ruКопытовГ. Ф.KopytovG. F.

Копытов Геннадий Филипович, доктор  физико-математических наук, профессор,  заведующий кафедрой радиофизики и  нанотехнологий

ул. Ставропольская 149, г. Краснодар 350040

Scopus Author ID: 57205188719 

РИНЦ AuthorID: 75767 

Gennady F. Kopytov, Dr. of Sci. (Physics and  Mathematics),  Professor, Head of the Department of Radiophysics and Nanotechnology

149 Stavropolskaya str., Krasnodar 350040

Scopus Author ID: 57205188719

РИНЦ AuthorID: 75767 

g137@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0920-7043МорозкинаЕ. А.MorozkinaE. A.

Морозкина Елена Анатольевна, кандидат  педагогических наук, доцент, заведующая  кафедрой декоративно-прикладного искусства и дизайна

ул. Ставропольская 149, г. Краснодар 350040

РИНЦ AuthorID: 555823

Elena A. Morozkina, Сand. of Sci. (Pedagogical), Associate Professor, Head of the Department of Decorative and Applied Arts and Design

149 Stavropolskaya str., Krasnodar 350040

РИНЦ AuthorID: 555823

morozkinaelena@mail.ruКубанский государственный университет; Кубанский государственный технологический университетРоссияKuban State University; Kuban Technological State UniversityRussian FederationКубанский государственный университетРоссияKuban State UniversityRussian Federation202129042023113125138Copyright © Бузько В.Ю., Мамелин Ю.В., Иванин С.Н., Копытов Г.Ф., Морозкина Е.А., 20232023Бузько В.Ю., Мамелин Ю.В., Иванин С.Н., Копытов Г.Ф., Морозкина Е.А.Buz’ko V.Y., Mamelin Y.V., Ivanin S.N., Kopytov G.F., Morozkina E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/97

Цель исследования – характеризация микроструктурных, оптических и электронных свойств синтезированных образцов наноразмерных неорганических пигментов состава Zn(1-x)CoxO (x = 0.02-0.15).

Методы

Методы. Неорганические порошкообразные пигменты с общей формулой Zn(1-x)CoxO (x = 0.02-0.15) были синтезированы пирохимическим нитрат-мочевинным методом с использованием кристаллогидратов нитратов металлов и мочевины. Исходные реактивы в необходимом стехиометрическом отношении тщательно перемешивались с порошком мочевины в керамической ступке, затем производился термолиз реакционной смеси в керамических тиглях с разложением нитратных солей с образованием окрашенных порошков зеленого цвета разной интенсивности. Микроструктура порошков пигментов была исследована с использованием сканирующего электронного микроскопа «JEOL JSM – 7500F». Состав пигментов исследовался методом энергодисперсионного микроанализа с использованием приставки Inca X Sight EDX Spectrometer. Оптические спектры диффузного отражения порошков синтезированных пигментов измеряли на спектрофотометре «Hitachi U-3900» с двухканальной интегрирующей сферой в области спектра 300 до 900 нм.

Результаты

Результаты. Анализ гранулометрии синтезированных пигментов Zn(1-x)CoxO выявил, что они являются нанопорошками со средним размером наночастиц от 20 до 45 нм и с различной степенью агломерации. Спектры диффузного отражения от пигментов, допированных разным количеством ионов кобальта, в области спектра от 300 до 900 нм показывают систематическое возрастание интенсивности зеленой окраски с ростом содержания кобальта. Все исследованные образцы синтезированных пигментов  Zn(1-x)CoxO являются полупроводниковыми соединениями с наличием нескольких оптических прямых переходов.

Заключение

Заключение. Для исследованных неорганических пигментов зеленого цвета с общей формулой Zn(1-x)CoxO с увеличением процентного соотношения частиц кобальта в составе наблюдается снижение отражательной способности во всей исследуемой области спектра, а в особенности на участке от 600 до 680 нм. Различие в цветовых параметрах для исследованных неорганических пигментов состава Zn(1-x)CoxO преимущественно связано как с изменением долей хромогенных ионов кобальта в них, так и с изменением в ближайшей координации атомов кислорода в координационном полиэдре Co-On, влияющей на параметры электронных переходов иона Co2+. Рассчитанные параметры цвета в цветовом пространстве CIE L*a*b* позволяют ориентироваться на выбор состава пигментов Zn(1-x)CoxO для достижения желаемой окраски.

Purpose of research - characterization of microstructural, optical and electronic properties of synthesized samples of nanosized inorganic pigments of the composition Zn(1-x)CoxO (x = 0.02-0.15).

Methods

Methods. Inorganic powder pigments with the general formula Zn(1-x)CoxO (x = 0.02-0.15) were synthesized by the pyrochemical nitrate-urea method using crystalline hydrates of metal nitrates and urea. The initial reagents in the required stoichiometric ratio were thoroughly mixed with urea powder in a ceramic mortar and then thermolysis of the reaction mixture was carried out in ceramic crucibles with the decomposition of nitrate salts with the formation of colored green powders of varying color intensity. The microstructure of the prepared pigment powders was investigated using a JEOL JSM-7500F scanning electron microscope. The composition of the pigments was studied by energy dispersive microanalysis using an Inca X Sight EDX Spectrometer attachment. Optical diffuse reflectance spectra of synthesized pigment powders were measured on a Hitachi U-3900 spectrophotometer with a two-channel integrating sphere in the wavelength range from 300 to 900 nm.

Results

Results. By means of particle SEM analysis of the synthesized Zn(1-x)CoxO pigments, it was taken into account that they are nanopowders with an average nanoparticle size from 20 to 45 nm and with varying degrees of nanoparticle agglomeration. The diffuse reflectance spectra of pigments doped with different amounts of cobalt ions in the wavelength range from 300 to 900 nm show a systematic increase in the intensity of the green color with an increase in the cobalt content. All studied samples of the synthesized pigments Zn(1-x)CoxO are semiconducting compounds with several direct-gap electronic transitions.

Conclusion

Conclusion. With an increase in the percentage of cobalt particles in the composition of the investigated green inorganic pigments with the general formula Zn(1-x)CoxO a decrease in reflectivity was observed in the entire investigated optical range, and especially in the range from 600 to 680 nm. The difference in color parameters for the studied inorganic oxide pigments of the composition Zn(1-x)CoxO is mainly associated with both a change in the fraction of chromogenic cobalt ions in them and a change in the nearest coordination of oxygen atoms in the Co-On coordination polyhedron, which affects the parameters of electronic transitions ion Co +. The calculated color parameters in the CIE Lab color space allow you to guide the selection of the composition of Zn(1-x)CoxO pigments to achieve the desired color.

оксид-цинковые пигментынаночастицыспектрыдиффузное отражениеэлектронные характеристикиzinc oxide pigmentsnanoparticlesdiffusereflectance spectraelectronic characteristicsReferencesFacile synthesis of three kobolds: introducing students to the structure of pigments and their characterization / P. Martin-Ramos, M. Susano, P. S. Pereira da Silva [et al.] // J. Chem. Educ. 2018. Vol. 95, is. 8, P. 1340–1344. http://doi.org/10.1021/acs.jchemed.7b00402.Martin-Ramos P., Susano M., Pereira da Silva P. S., eds. Facile Synthesis of three kobolds: introducing students to the structure of pigments and their characterization. J. Chem. Educ., 2018, vol. 95, is. 8, pp. 1340–1344. http://doi.org//10.1021/acs.jchemed.7b00402.Synthesis of green cool pigments (CoxZn1-xO) for application in NIR radiation reflectance / J. Oliveira Primo, K. W. Borth, D. C. Peron [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 780. P. 17–24. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.358.Oliveira Primo J., Borth K. W., Peron D. C., eds. Synthesis of green cool pigments (CoxZn1-xO) for application in NIR radiation reflectance. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 780, pp. 17–24. http://doi.org//10.1016/j.jallcom.2018.11.358.A review of near infrared reflectance properties of metal oxide nanostructures / V. Fang, J. Kennedy, J. Futter, J. Manning // GNS Science Report. 2013. Vol. 39. P. 1–20.Fang V., Kennedy J., Futter J., Manning J. A review of near infrared reflectance properties of metal oxide nanostructures. GNS Science Report, 2013, vol. 39, pp. 1–20.Pigment compendium: a dictionary and optical microscopy of historical pigments / N. Eastaugh, V. Walsh, T. Chaplin [et al.]. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2008. 958 p.Eastaugh, N., Walsh, V., Chaplin, T., eds. Pigment compendium: a dictionary and optical microscopy of historical pigments. Oxford, Butterworth-Heinemann, 2008. 958 p.Photoluminescence in ZnO:Co2+ (0,01%−5%) nanoparticles, nanowires, thin films, and single crystals as a function of pressure and temperature: Exploring Electron−Phonon Interactions / C. Renero-Lecuna, R. Martin-Rodriguez, J. A. Gonzalez [et al.] // Chem. Mater. 2014. Vol. 26. P. 1100−1107. http://doi.org/10.1021/cm403371n.Renero-Lecuna C., Martin-Rodriguez R., Gonzalez J. A., eds. Photoluminescence in ZnO:Co2+ (0.01%−5%) nanoparticles, nanowires, thin films, and single crystals as a function of pressure and temperature: exploring electron−phonon interactions. Chem. Mater., 2014, vol. 26, pp. 1100−1107. http://doi.org/10.1021/cm403371n.Djurisic A. B., Chen X. Y., Leung Y. H. Recent progress in hydrothermal synthesis of zinc oxide nanomaterials // Recent Patents on Nanotechnology. 2012. Vol. 6. P. 124–134. http://doi.org/10.2174/187221012800270180.Djurisic A. B., Chen X. Y., Leung Y. H. Recent progress in hydrothermal synthesis of zinc oxide nanomaterials. Recent Patents on Nanotechnology, 2012, vol. 6, pp. 124–134. http://doi.org/10.2174/187221012800270180.Synthesis and characterization of Zn1-xCoxO green pigments with low content cobalt oxide / N. Zhou, Y. Zhang, S. Nian [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 711. P. 406–413. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.015Zhou N., Zhang Y., Nian S., eds. Synthesis and characterization of Zn1-xCoxO green pigments with low content cobalt oxide. Journal of Alloys and Compounds, 2017, vol. 711, pp. 406–413. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.04.015.Franco A., Pessoni H. V. S. Enhanced dielectric constant of Co-doped ZnO nanoparticulate powders // Physica B: Condensed Matter. 2015. Vol. 476. P. 12–18. http://doi.org/10.1016/j.physb.2015.07.004.Franco A., Pessoni H. V. S. Enhanced dielectric constant of Co-doped ZnO nanoparticulate powders. Physica B: Condensed Matter, 2015, vol. 476, pp. 12–18. http://doi.org/10.1016/j.physb.2015.07.004.Design, synthesis, and application of colored cobalt pigments (pink, blue, green) / F. J. Anaissi, D. F. L. Horsth, J. Dalastra [et al.] // J. Braz. Chem. Soc. 2020. Vol. 31, is. 11. P. 2265–2273. http://doi.org/10.21577/0103-5053.20200078.Anaissi F. J., Horsth D. F. L., Dalastra J., eds. Design, synthesis, and application of colored cobalt pigments (Pink, Blue, Green). J. Braz. Chem. Soc., 2020, vol. 31, is. 11, pp. 2265–2273. http://doi.org/10.21577/0103-5053.20200078.Study of structural, optical and magnetic properties of cobalt doped ZnO nanorods / A. Chanda, S. Gupta, M. Vasundhara [et al.] // RSC Adv. 2017, Vol. 7, is. 80. P. 50527– 50536. http://doi.org/10.1039/C7RA08458G.Chanda A., Gupta S., Vasundhara M., eds. Study of structural, optical and magnetic properties of cobalt doped ZnO. RSC Adv., 2017, vol. 7, is. 80, pp. 50527–50536. http://doi.org/10.1039/C7RA08458G.Jakani M., Campet G., Claverie J. Photoelectrochemical Properties of Zinc Oxide Doped with 3d Elements // Journal of solid-state chemistry. 1985. Vol. 56, is. 3. P. 269–277. http://doi.org/10.1016/0022-4596(85)90176-8.Jakani M., Campet G., Claverie J. Photoelectrochemical properties of zinc oxide doped with 3D elements. Journal of Solid-State Chemistry, 1985, vol. 56, is. 3, pp. 269–277. http://doi.org/10.1016/0022-4596(85)90176-8.Исследование возможности имитирования оптических характеристик естественно-стареющих листьев / Ю. В. Мамелин, В. Ю. Бузько, А. С. Данилов, А. С. Мамелина // Инженерный вестник Дона. 2020. № 11. С. 72–81.Mamelin Y. V., Kopytov G. F., Buz’ko V. Y. Issledovaniye vozmozhnosti imitirovaniya opticheskikh kharakteristik yestestvenno-stareyushchikh list'yev [Investigation of the possibility of imitating the optical characteristics of naturally aging leaves]. Inzhenernyy vestnik Dona = Don's Engineering Herald, 2020, no. 11, рр. 72–81.Мамелин Ю. В., Бузько В. Ю., Копытов Г. Ф. Оптические характеристики неорганических зелёных пигментов с общей формулой Zn(1-X)CoXO // Научные исследования и разработки: новое и актуальное: материалы X Международной научнопрактической конференции. Ростов н/Д: Южный федер. ун-т, 2021. С. 179–183.Mamelin Y. V., Kopytov G. F., Buz’ko V. Y. Opticheskiye kharakteristiki neorganicheskikh zelonykh pigmentov s obshchey formuloy [Optical characteristics of inorganic green pigments with a general formula]. Nauchnyye issledovaniya i razrabotki: novoye i aktual'noye. Materialy X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Scientific research and development: new and relevant. Materials of the X International Scientific and Practical Conference]. Rostov-on-Don, South Federal Univ. Publ., 2021, pp. 179–183.Mamelin Y. V., Kopytov G. F., Buzko V. Y. Studying optical characteristics of diffused light reflecting from naturally senescing leaves of deciduous trees // Herald of the (1-x)CoxO Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences. 2020. Vol. 92, is. 5. P. 72–82. http://doi.org/10.18698/1812-3368-2020-5-72-82.Mamelin Y. V., Kopytov G. F., BuzkoV. Y. Studying optical characteristics of diffused light reflecting from naturally senescing leaves of deciduous trees. Herald of the Bau(1-x)CoxO man Moscow State Technical University. Series Natural Sciences, 2020, vol. 92, is. 5, pp. 72–82. http://doi.org/10.18698/1812-3368-2020-5-72-82.Hapke B. Theory of reflectance and emittance spectroscopy. Cambridge: Cambridge University Press, 2012. Vol. 5. 513 p. http://doi.org/10.1017/CBO9780511524998.Hapke, B. Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy. Cambridge, Cambridge University Press, 2012, vol. 5. 513 p. http://doi.org/10.1017/CBO9780511524998.Anandhi J. T., Rayer S. L., Chithambarathanu T. Synthesis, FTIR studies and optical properties of aluminium doped chromium oxide nanoparticles by microwave irradiation at different concentrations // Chemical and Materials Engineering. 2017. Vol. 5, is. 2. P. 43–54. http://doi.org/10.13189/cme.2017.050204.Anandhi J. T., Rayer S. L., Chithambarathanu T. Synthesis, FTIR studies and optical properties of aluminium doped chromium oxide nanoparticles by microwave irradiation at different concentrations. Chemical and Materials Engineering, 2017, vol. 5, is. 2, pp. 43–54. http://doi.org/10.13189/cme.2017.050204.Optical bandgap of semiconductor nanostructures: Methods for experimental data analysis / R. Raciti, R. Bahariqushchi, C. Summonte [et. al] // Journal of Applied Physics. 2017. Vol. 121, is. 23. P. e234304. http://doi.org/10.1063/1.4986436.Raciti R., Bahariqushchi R., Summonte С., eds. Optical bandgap of semiconductor nanostructures: Methods for experimental data analysis. Journal of Applied Physics, 2017, vol. 121, is. 23, pp. e234304. http://doi.org/10.1063/1.4986436.White W. B., McCarthy G. J., Sheetz B. E. Optical spectra of chromium, nickel and cobalt-containing pyroxenes // The American Mineralogist. 1971. Vol. 56. P. 72–89.White W. B., McCarthy G. J., Sheetz B. E. Optical spectra of chromium, nickel and cobalt-containing pyroxenes. The American Mineralogist, 1971, vol. 56, pp. 72–89.Umadevi Godavarti, Mote V. D., Madhavaprasad Dasari. Role of cobalt doping on the electrical conductivity of ZnO nanoparticles // Journal of Asian Ceramic Societies. 2017. Vol. 5, is. 4. P. 391–396. https://doi.org/10.1016/j.jascer.2017.08.002.Godavarti U., Mote V. D., Dasari M. Role of cobalt doping on the electrical conductivity of ZnO nanoparticles. Journal of Asian Ceramic Societies, 2017, Vol. 5, is. 4, pp. 391– 396. https://doi.org/10.1016/j.jascer.2017.08.002.Structural and optical properties of pure and copper doped zinc oxide nanoparticles / M. Sajjad, I. Ullah, M. I. Khan, J. Khan, M. Y. Khan, M. T. Qureshi // Results in Physics. 2018. Vol. 9. P. 1301–1309. http://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.04.010.Sajjad M., Ullah, I., Khan M. I., Khan J., Khan M. Y., Qureshi M. T. Structural and optical properties of pure and copper doped zinc oxide nanoparticles. Results in Physics, 2018, vol. 9, pp. 1301–1309. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.04.010.Structural and optical properties of ZnO and co doped ZnO thin films prepared by Sol-Gel / A. R. Khantoul, M. Sebais, B. Rahal // Acta Physica Polonica A. 2018. Vol. 133, is. 1. P. 114–117.Khantoul A. R., Sebais M., Rahal B. Structural and optical properties of ZnO and Co Doped ZnO thin films prepared by Sol-Gel. Acta Physica Polonica. A, 2018, vol. 133, is. 1, pp. 114–117.Kapil Y., Salkar R. B., Tangsali R. S. Preparation characterization and magnetic Properties of Zn(1-X)CoxO nanoparticle dilute magnetic semiconductors // Superlattices and Microstructures. 2019. Vol. 126. P. 158–173. http://doi.org/10.1016/j.spmi.2018.12.013.Kapil Y., Salkar R. B., Tangsali R. S. Preparation characterization and magnetic properties of Zn(1-X)CoxO nanoparticle dilute magnetic semiconductors. Superlattices and Microstructures, 2019, vol. 126, pp. 158–173. http://doi.org/10.1016/j.spmi.2018.12.013.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.