Фотолюминесценция нанокристаллов ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Цель исследования. Исследование спектров фотолюминесценции нанокристаллов ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x : Mn и определение параметров индивидуальных полос излучения нанокристаллов ZnSxSe1-x:Mn, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Методы. Характеризация нанокристаллов ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x: Mn с помощью фотолюминесцентной спектроскопии. Извлечение параметров индивидуальных полос благодаря методике, основанной на методе Тихонова и методе производной спектроскопии.

Результаты. Зарегистрированы спектры фотолюминесценции нанокристаллов ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn для всех составов с шагом параметра х = 0,2. Построены зависимости положения максимума и полуширины спектров фотолюминесценции в нанокристаллах ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn от значения параметра х. Отмечено движение максимума интегрального спектра фотолюминесценции в нанокристаллах ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn в сторону больших энергий в зависимости от параметра х. Замечено, что в диапазоне значений x = 0,2…0,4 происходит резкое изменение полуширины интегрального спектра фотолюминесценции в нанокристаллах ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn и интенсивности сигнала, это может быть связано с перестройкой кристаллической решетки. Определены параметры индивидуальных спектров фотолюминесценции нанокристаллов ZnSxSe1-x:Mn по единственному экспериментальному измерению. Обсуждается природа индивидуальных полос фотолюминесценции.

Заключение. Полученные результаты зависимостей можно объяснить изменением ширины запрещенной зоны нанокристаллов ZnSxSe1-x и ZnSxSe1-x:Mn, а также перераспределением интенсивностей индивидуальных полос. Отличие интегрального (сумма индивидуальных полос) и экспериментального спектра возникает из-за наличия в экспериментальном спектре дополнительной индивидуальной полосы малой интенсивности. Данная индивидуальная полоса расположена в районе Е = 2,48 эВ и связана с электронными переходами в ионах Mn²⁺ в решетке ZnS.

1. In situ fabrication of halide perovskite nanocrystal-embedded polymer composite films with enhanced photoluminescence for display backlights / Q. Zhou, Z. Bai, W.G. Lu, Y. Wang, B. Zou, H. Zhong // Advanced Materials. 2016. Vol. 28, No. 41. P. 9163–9168. https://doi.org/10.1002/adma.201602651

2. Photoluminescence investigations on Sm 3+ ions doped borate glasses for tricolor w- LEDs and lasers / N. Deopa, A. S. Rao, A. Choudhary, S. Saini, A. Navhal, M. Jayasimhadri, D. Haranath, G. V. Prakash // Materials Research Bulletin. 2018. Vol. 100. P. 206–212. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2017.12.019

3. Adachi S. Photoluminescence properties of Mn4+-activated oxide phosphors for use in white-LED applications: a review // Journal of Luminescence. 2018. Vol. 202. P. 263–281. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.05.053

4. Wang Z., Zeng H., Sun L. Graphene quantum dots: versatile photoluminescence for energy, biomedical, and environmental applications // Journal of Materials Chemistry C. 2015. Vol. 3, No 6. P. 1157–1165. https://doi.org/10.1039/C4TC02536A

5. Skoog D. A., Holler F. J., Crouch S. R. Principles of instrumental analysis. Cengage learning, 2017. 961 p.

6. Tuning the luminescence of ZnO: Eu nanoparticles for applications in biology and med- icine / J. Kaszewski, P. Kiełbik, E. Wolska, B. Witkowski, Ł. Wachnicki, Z. Gajewski, M. Godlewski, M.M. Godlewski // Optical Materials. 2018. Vol. 80. P. 77–86. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.04.028

7. Синтез и исследованиe электропроводности материалов солнечной энергетики Cu2SnS3 и Cu2ZnSnS4 / В. С. Захвалинский, Нгуен Тхи Тхам Хонг, Е. А. Пилюк, В. М. Емельянов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. T. 10, № 2. С. 58–66.

8. Obtaining information about protein secondary structures in aqueous solution using Fourier transform IR spectroscopy / H. Yang, S. Yang, J. Kong, A. Dong, S. Yu // Nature protocols. 2015. Vol. 10, No. 3. P. 382–396. https://doi.org/10.1038/nprot.2015.024

9. Competition of the self-activated and Mn-related luminescence in ZnS single crystals / Y. Y. Bacherikov, I. P. Vorona, I. V. Markevich, N. O. Korsunska, R. V. Kurichka // Solid State Communications. 2018. Vol. 274. P. 31–35. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2018.02.017

10. Nekrasov A. A., Ivanov V. F., Vannikov A. V. Effect of pH on the structure of absorption spectra of highly protonated polyaniline analyzed by the Alentsev – Fock method // Electrochimica acta. 2001. Vol. 46. No. 26-27. P. 4051–4056. https://doi.org/10.1016/S00134686(01)00693-4

11. Slyotov M. М., Gavaleshko O. S., Kinzerska O. V. Preparation and luminescent properties of α-ZnSe heterolayers with surface nanostructure // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2017. Vol. 9, No. 5. P. 05046. https://doi.org/10.21272/jnep.9(5).05046

12. OriginPro 9.1. OriginLab Corporation, One Roundhouse Plaza, Suite 303, Northampton, MA 01060, United States. 1800-969-7720. URL: OriginLab.com (дата обращения: 16.12.2021).

13. Sadekar H. K. Ghule A. V., Sharma R. Bandgap engineering by substitution of S by Se in nanostructured ZnS1–xSex thin films grown by soft chemical route for nontoxic optoelectronic device applications // Journal of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509, No. 18. P. 5525–5531. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.089

14. Tang T. P., Wang W. L., Wang S. F. The luminescence characteristics of ZnSxSe1–x phosphor powder // Journal of alloys and compounds. 2009. Vol. 488, No. 1. P. 250–253. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.098

15. Improved photovoltaic performance and stability of quantum dot sensitized solar cells using Mn–ZnSe shell structure with enhanced light absorption and recombination control / C. V. Gopi, M. Venkata-Haritha, S. K. Kim, H. J. Kim // Nanoscale. 2015. Vol. 7, No. 29. P. 12552-12563. https://doi.org/10.1039/C5NR03291A

16. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings / E. A. Levashov, A. S. Mukasyan, A. S. Rogachev, D. V. Shtansky // International materials reviews. 2017. Vol. 62, No. 4. P. 203–239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291

17. Generation of charge carriers during combustion synthesis of sulfides / A. A. Markov, I. A. Filimonov, A. V. Poletaev, S. G. Vadchenko, K. S. Martirosyan // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2013. Vol. 22, No. 2. P. 69–76. https://doi.org/10.3103/S1061386213020052

18. Combustion synthesis of ZnSe with strong red emission / G. Liu, X. Yuan, J. Li, K. Chen, Y. Li, L. Li // Materials & Design. 2016. Vol. 97. P. 33–44. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.02.063

19. Tian Z. Preparation of ZnSe powder by vapor reaction during combustion synthesis / Z. Tian, Z. Chen, X. Yuan, W. Cui, J. Zhang, S. Sun, G. Liu // Ceramics International. 2019. Vol. 45, No. 14. P. 18135–18139. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.321

20. Kovalenko А. V., Plakhtii Y. G., Khmelenko О. V. The peculiarities of the properties of ZnSxSe1–x nanocrystals obtained by self-propagating high-temperature synthesis // Functional materials. 2018. Vol. 4. P. 665. https://doi.org/10.15407/fm25.04.665

21. Kovalenko A. V., Plakhtii Y. G., Khmelenko O. V. Research of photoluminescence spectra of ZnSxSe1-x:Mn nanocrystals obtained by method of self-propagation high-temperature synthesis // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2019. Vol. 11, No. 4. P. 04031-1–04031-5. https://doi.org/10.21272/jnep.11(4).04031

22. Obtaining of nanocrystals ZnS:Mn by means of self-propagating high-temperature synthesis / M. F. Bulaniy, A. V. Kovalenko, A. S. Morozov, O. V. Khmelenko // Journal of Nanoand Electronic Physics. 2017. Vol. 9, No. 2. P. 02007. https://doi.org/10.21272/jnep.9(2).02007

23. Taguchi T., Kawakami Y., Yamada Y. Interface properties and the effect of strain of ZnSe/ZnS strained-layer superlattices // Physica B: Condensed Matter. 1993. Vol. 191, No. 1- 2. P. 23–44. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90176-7

24. Alghamdi Y. Composition and band Gap controlled AACVD of ZnSe and ZnSxSe1-x thin films using novel single Source precursors // Materials Sciences and Applications. 2017. Vol. 8, No. 10. P. 726–737. https://doi.org/10.4236/msa.2017.810052

25. ZnO/ZnSxSe1-x core/shell nanowire arrays as photoelectrodes with efficient visible light absorption / Z. Wang, X. Zhan, Y. Wang, M. Safdar, M. Niu, J. Zhang, Y. Huang, J. He // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101, No. 7. P. 073105. https://doi.org/10.1063/1.4745918

26. Trubaieva O. G., Chaika M. A., Zelenskaya O. V. Mixed ZnSxSe1–x crystals as a possible material for alpha-particle and X-ray detectors // Ukrainian journal of physics. 2018. Vol. 63, No. 6. P. 546–551. https://doi.org/10.15407/ujpe63.6.546

27. Luminescent method for determining low concentrations of a substance in optically dense media / A. P. Voitovich, V. S. Kalinov, E. F. Martynovich, A. N. Novikov, A. P. Stupak // Journal of Applied Spectroscopy. 2011. Vol. 78, No. 5. P. 725–732. https://doi.org/10.1007/s10812-011-9524-8

28. Avilés M. A., Gotor F. J. Tuning the excitation wavelength of luminescent Mn2+doped ZnSxSe1-x obtained by mechanically induced self-sustaining reaction // Optical Materials. 2021. Vol. 117. P. 111121. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111121

29. Kovalenko A. V., Plakhtiy E. G., Vovk S. M. Application of derivative spectroscopy method to photoluminescence in ZnS: Mn nanocrystals // Ukrainian journal of physical optics. 2018. Vol. 19, No. 3. P. 133–138. https://doi.org/10.3116/16091833/19/3/133/2018

30. Kovalenko O. V., Vovk S. M., Plakhtii Y. G. Method of smoothing photoluminescence spectra // Journal of Physics and Electronics. 2018. Vol. 26, No. 2. P. 73–80. https://doi.org/10.15421/331828

31. Photoluminescence and micro-Raman scattering in Mn-doped ZnS nanocrystalline semiconductors / R. D. Yang, S. Tripathy, F. E. Tay, L. M. Gan, S. J. Chua // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 2003. Vol. 21, No. 3. P. 984–988. https://doi.org/10.1116/1.1568350

32. Nonmonotonic behavior of luminescence characteristics of fine-dispersed self-propagating high-temperature synthesized ZnS: Mn depending on size of its particles / Y. Y. Bacherikov, A. V. Gilchuk, A. G. Zhuk, R. V. Kurichka, O. B. Okhrimenko, S. E. Zelensky, S. A. Kravchenko // Journal of Luminescence. 2018. Vol. 194. P. 8–14. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.09.010

33. Li X. Controlling the morphology of ZnS: Mn2+ nanostructure in hydrothermal process using different solvents and surfactants / X. Li, F. Zhang, C. Ma, Y. Deng, L. Zhang, Z. Lu, N. He // Nanoscience and Nanotechnology Letters. 2013. Vol. 5, No. 2. P. 271–276. https://doi.org/10.1166/nnl.2013.1495

34. Evaluation of the segregation of paramagnetic impurities at grain boundaries in nanostructured ZnO films / D. Ghica, M. Stefan, C. Ghica, G. E. Stan // ACS Applied Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, No. 16. P. 14231–14238. https://doi.org/10.1021/am5035329