Вплив адсорбції іонів хрому на фотолюмінесцентні властивості діоксиду титану

Abstract

У роботі досліджено фотолюмінесценцію (ФЛ) нанокристалічного діоксиду титану (TiO2), синтезованого методом термічного гідролізу у кристалічної формі анатазу (A) або рутилу (R), поверхню яких модифіковано шляхом адсорбції іонів хрому (Cr3+). Зразки досліджували методами дифракції рентгенівських променів, рентгенівської флюоресценції, спектроскопії комбінаційного розсіювання та оптичного поглинання світла. Спектри ФЛ збуджували випромінюванням азотного УФ лазера. Встановлено, що процеси ФЛ та оптичного поглинання поблизу краю забороненої зони анатазу і рутилу відбуваються за участі одних і тих же електронних переходів. У допованому рутилі процеси безвипромінювальної Оже-рекомбінації призводять до гасіння ФЛ. Інтенсивність ФЛ допованого анатазу при малих концентраціях Cr3+ (до 0.5 ат. %) зростає у порівнянні із чистим анатазом внаслідок формування додаткових центрів радіаційної рекомбінації носіїв. Допування анатазу іонами Cr3+ призводить до короткохвильового та довгохвильового зсувів максимумів ФЛ, зумовлених ефектом Бурштейна-Мосса та внеском радіаційних «хвостів» густини електронних станів, відповідно. Із підвищенням концентрації Cr3+ (~ 1.0 ат. %) інтенсивність ФЛ TiO2 падає внаслідок ефекту концентраційного гасіння.

В работе исследована фотолюминесценция (ФЛ) нанокристаллического диоксида титана (TiO2), синтезированных методом термического гидролиза в форме анатаза (A) или рутила (R), поверхность которых была модифицирована путём адсорбции ионов хрома (Cr3+). Образцы исследовали методами рентгеновской дифракции, рентгеновской флюоресценции, спектроскопии комбинационного рассеяния света и оптического поглощения. Спектры ФЛ возбуждали излучением азотного УФ лазера. Установлено, что процессы ФЛ и оптического поглощения света вблизи края запрещённой зоны анатаза и рутила происходят с участием одних и тех же электронных переходов. В допированном рутиле процессы безизлучательной Оже-рекомбинации приводят к тушению ФЛ. Допирование анатаза ионами Cr3+ приводит к коротковолновому и длинноволновому сдвигу максимумов ФЛ, обусловленных эффектом Бурштейна-Мосса и вкладом радиационных «хвостов» плотности электронных состояний, соответственно. Интенсивность ФЛ допированного анатаза при малых концентрациях Cr3+ (до 0.5 ат. %) растёт по сравнению с чистым анатазом вследствие формирования дополнительных центров радиационной рекомбинации носителей. С повышением концентрации Cr3+ (~ 1.0 ат. %) интенсивность ФЛ TiO2 падает вследствие эффекта концентрационного тушения.

We have studied the photoluminescence (PL) of nanocrystalline titanium dioxide (TiO2), synthesized by the thermal hydrolysis in the form of anatase (A) or rutile (R), the surface of which has been modified by adsorption of chromium ions (Cr3+). The samples were characterized by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, Raman spectroscopy and optical absorption. PL spectra were excited by a nitrogen UV laser. It was found that the processes of the PL emission and optical absorption near the band gap edge of anatase and rutile TiO2 occur with the same electronic transitions. In the Cr3+-doped R/TiO2, the process of nonradiative Auger recombination leads to the quenching of the PL intensity. The Cr3+ ion doping in А/TiO2 leads to short-wave and long-wave shifts of the PL peaks due to the Burstein-Moss effect and due to the contribution of radiation "tails" of the electron density of states, respectively. PL intensity of the Cr3+-doped A/TiO2 at low concentration of Cr3+ (up to 0.5 at. %) increases in comparison with the undoped A/TiO2 due to the formation of additional centers of radiative recombination of carriers. With increasing concentration of Cr3+ (~ 1.0 at. %), the TiO2 PL intensity decreases due to the concentration quenching.