Особенности нанокристаллов ZnS_xSe_1-x:Mn, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Цель исследования. Определение размерных характеристик, фазового и химического состава нанокристаллов ZnSxSe1-x с шагом параметра состава x = 0,2, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.  

Методы. Характеризация полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нанокристаллов ZnSxSe1-x с помощью сканирующей микроскопии, рентгенодифракционного анализа и электронного парамагнитного резонанса. 

Результаты. Определены параметры кристаллической решетки синтезированных нанокристаллов ZnSxSe1-x:Mn, они находились в пределах от a = 5,386 Å (для х = 1) до a = 5,633 Å (для х = 0). Определены размеры синтезированных нанокристаллов ZnSxSe1-x:Mn, они составляли от 50±5 нм до 80±5 нм. Построены зависимости состава полученного после синтеза порошка от состава заложенной шихты до синтеза, микронапряжений и размеров нанокристаллов в зависимости от параметра состава х, долей кубической и гексагональной фаз в зависимости от параметра состава х, полуширин узких и широкой линий спектра ЭПР от параметра х, резонансного значения магнитного поля широкой линии поглощения, обусловленной наличием ионов Mn²⁺ и константы А сверхтонкой структуры спектров ЭПР ионов Mn²⁺ от параметра х. 

Заключение. Полученные нанокристаллы характеризуются высоким совершенством кристаллической структуры. Резкое изменение исследованных зависимостей для нанокристаллов ZnS0.4Se0.6:Mn и при переходе из нанокристаллов ZnS0.2Se0.4:Mn в ZnS0.4Se0.6:Mn может быть объяснено наименьшим размером нанокристаллов ZnS0.4Se0.6:Mn, одновременным нахождением в твердом растворе практически одинакового количества S и Se и увеличением роли поверхностных явлений на границе нанокристаллов.

1. 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

2. Optical and electrical applications of ZnSxSe1−x nanowires-network with uniform and controllable stoichiometry / J. Lu, H. Liu, C. Sun, M. Zheng, M. Nripan, G. S. Chen, G. M. Subodh, X. Zhang, C. H. Sow // Nanoscale. 2012. Vol. 4, No. 3. P. 976–981. https://doi.org/10.1039/C2NR11459C

3. Recent advances in zinc‐containing colloidal semiconductor nanocrystals for optoelectronic and energy conversion applications / D. Chen, A. Wang, M. A. Buntine, G. Jia // ChemElectroChem. 2019. Vol. 6, No. 18. P. 4709–4724. https://doi.org/10.1002/celc.201900838

4. Chukavin A. I., Valeev R. G., Beltiukov A. N. Observation of excitons at room temperature in ZnSxSe1-x nanostructures embedded in a porous Al2O3 template // Materials Che- mistry and Physics. 2019. Vol. 235. P. 121748. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019. 121748

5. 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

6. Design principles and material engineering of ZnS for optoelectronic devices and catalysis / X. Xu, S. Li, J. Chen, S. Cai, Z. Long, X. Fang // Advanced Functional Materials. 2018. Vol. 28, No. 36. P. 1802029. https://doi.org/10.1002/adfm.201802029

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. Rogachev A. S., Mukasyan A. S. Combustion for material synthesis. CRC Press Taylor & Francis Group, 2015, 398 pp.

9. 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

10. Kozitskii S. V., Pisarskii V. P., Ulanova O. O. Structure and phase composition of zinc sulfide produced by self-propagating high-temperature synthesis // Combustion, Explosion and Shock Waves. 1998. Vol. 34, No. 1. P. 34–39. https://doi.org/10.1007/BF02671814

11. 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

12. Bacherikov Y. Y. Structural and optical properties of ZnS: Mn micro-powders, synthesized from the charge with a different Zn/S ratio / Y. Y. Bacherikov, N. P. Baran, I. P. Vorona, A. V. Gilchuk, A. G. Zhuk, Y. O. Polishchuk, N. E. Korsunska // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2017. Vol. 28, No. 12. P. 8569–8578. https://doi.org/10.1007/s10854-017-6580-8

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. Merzhanov A. G., Borovinskaya I. P. Historical retrospective of SHS: An autoreview // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2008. Vol. 17, No. 4. P. 242–265. https://doi.org/10.3103/S1061386208040079

18. Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007. 567 с.

19. 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

20. 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 Nano- and Electronic Physics. 2017. Vol. 9, No. 2. P. 2007-1. https://doi.org/10.21272/jnep.9(2).02007

21. Приемы регулирования дисперсной структуры СВС-порошков: от монокристальных зерен до наноразмерных частиц / А. П. Амосов, И. П. Боровинская, А. Г. Мержанов, А. Е. Сычев // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2006. № 5. С. 9–22.

22. Chuo H. X., Wang T. Y., Zhang W. G. Optical properties of ZnSxSe1−x alloy nanostructures and their photodetectors // Journal of alloys and compounds. 2014. Vol. 606. P. 231–235. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.04.004

23. Waseda Y., Matsubara E., Shinoda K. X-ray diffraction crystallography: introduction, examples and solved problems. Springer Science & Business Media, 2011. 310 p.

24. 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

25. Determination of nanoparticle sizes by X-ray diffraction / G. A. Dorofeev, A. N. Streletskii, I. V. Povstugar, A. V. Protasov, E. P. Elsukov // Colloid Journal. 2012. Vol. 74, No. 6. P. 675–685. https://doi.org/10.1134/S1061933X12060051

26. Microstructure and electroluminescence of ZnS: Cu, Cl phosphor powders prepared by firing with CuS nanocrystallites / Y. T. Nien, I. G. Chen, C. S. Hwang, S. Y. Chu // Journal of electroceramics. 2006. Vol. 17, No. 2. P. 299–303. https://doi.org/10.1007/s10832-0068913-5

27. An improved X-ray diffraction analysis method to characterize dislocation density in lath martensitic structures / F. Hajy Akbary, J. Sietsma, A. J. Böttger, M. J. Santofimia // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 639. P. 208–218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.05.003

28. Correlation between structural and magnetic properties of FeNi nanotubes with different lengths / A. E. Shumskaya, A. L. Kozlovskiy, M. V. Zdorovets, S. A. Evstigneeva, A. V. Trukhanov, S. V. Trukhanov, L. V. Panina // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 810. P. 151874. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.151874

29. Manganese clusterization in ZnS: Mn, Mg synthesized by self-propagating high-temperature synthesis / Y. Y. Bacherikov, I. P. Vorona, O. B. Okhrimenko, V. P. Kladko, A. G. Zhuk, S. M. Okulov, V. V. Kidalov // Semiconductors. 2020. Vol. 54, No. 3. P. 330– 336. https://doi.org/10.1134/S1063782620030033

30. Electron‐paramagnetic‐resonance study of the Mn2+ luminescence center in ZnS:Mn powder and thin films / T. H. Yeom, Y. H. Lee, T. S. Hahn, M. H. Oh, S. H. Choh // Journal of applied physics. 1996. Vol. 79, No. 2. P. 1004–1007. https://doi.org/10.1063/1.360886

31. Biswas S., Kar S., Chaudhuri S. Optical and magnetic properties of manganese-incorporated zinc sulfide nanorods synthesized by a solvothermal process // The Journal of Physical Chemistry B. 2005. Vol. 109, No. 37. P. 17526–17530. https://doi.org/10.1021/jp053138i

32. Ultrafast quenching of excitons in the ZnxCd1-xS/ZnS quantum dots doped with mn2+ through charge transfer intermediates results in manganese luminescence / D. Cherepanov, A. Kostrov, F. Gostev, I. Shelaev, M. Motyakin, S. Kochev, V. Nadtochenko // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, No. 11. P. 3007. https://doi.org/10.3390/nano11113007

33. Symmetry and electronic structure of the Mn impurity in ZnS nanocrystals / T. A. Kennedy, E. R. Glaser, P. B. Klein, R. N. Bhargava // Physical review B. 1995. Vol. 52, No. 20. P. R14356. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.52.R14356

34. VS G. K., Mahesha M. G. XPS analysis of ZnS0.4Se0.6 thin films deposited by spray pyrolysis technique // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2021. Vol. 249. P. 147072. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2021.147072

35. VS G. K., Mahesha M. G. Characterization of spray deposited ternary ZnSxSe(1-x) thin films for solar cell buffers // Surfaces and interfaces. 2020. Vol. 20. P. 100509. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100509