Фотолюмінесценція та оптичне поглинання чистого нанокристалічного ТiО2 анатазу та рутилу при кімнатній температурі

Abstract

Проведено дослідження фотолюмінесценції та оптичного поглинання нанокристалічних зразків TiO2 анатазу та рутилу при кімнатній температурі. Зразки TiO2 синтезовано у формі чистого анатазу або рутилу та досліджено методами рентгенівської дифракції, рентгенівської флуоресценції, спектроскопії комбінаційного розсіювання світла, оптичного поглинання та фотолюмінесценції (ФЛ). ФЛ вивчали при збудженні TiO2 інтенсивним УФ (3.68 eВ) випромінюванням азотного лазера. Вперше для нанокристалічного TiO2 зареєстровано спектри ФЛ з високою роздільною здатністю при кімнатній температурі, у тому числі смуги екситонних і міжзонних переходів. Зроблено висновок, що процеси поглинання та випромінювання світла поблизу краю забороненої зони відбуваються за участю тих же самих електронних переходів. ФЛ смуги, включаючи піки при 2.71-2.81 еВ в анатазі і рутилі, виникають внаслідок екситонної рекомбінації за участю кисневих вакансій гратки TiO2. Екситонна смуга при 2,91 еВ приписується рекомбінацїї автолокалізованих екситонів в анатазі або вільних екситонів в рутилі, відповідно. ФЛ смуги в спектральному діапазоні 3.0-3.3 еВ віднесено до непрямих та прямих дозволених переходів і є наслідком міжзонної e –-h + рекомбінації. ФЛ смуги при 3.03 еВ та 3.26 еВ віднесено до випромінювання вільних екситонів поблизу краю фундаментального поглинання рутилу і анатазу, відповідно. Обговорюється вплив кристалічної структури TiO2 і температури термообробки зразків на спектри фотолюмінесценції і оптичного поглинання. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35640

Проведено исследование фотолюминесценции и оптического поглощения нанокристаллических образцов TiO2 анатаза и рутила при комнатной температуре. Образцы TiO2 синтезированы в форме чистого анатаза или рутила и исследованы методами рентгеновской дифракции, рентгеновской флуо- ресценции, спектроскопии комбинационного рассеяния света, оптического поглощения и фотолюми- несценции (ФЛ). ФЛ изучали при возбуждении TiO2 интенсивным УФ (3.68 эВ) излучением азотного лазера. Впервые для нанокристаллического TiO2 зарегестрированы спектры ФЛ с высокой разреша- ющей способностью при комнатной температуре, в том числе полосы экситонных и межзонных пере- ходов. Сделан вывод, что процессы поглощения и излучения света вблизи края запрещенной зоны протекают с участием одних и тех же электронных переходов. ФЛ полосы, включая пики при 2.71- 2.81 эВ в анатазе и рутиле возникают вследствие экситонной рекомбинации с участием кислородных вакансий решетки TiO2. Экситонный пик при 2,91 эВ приписывается рекомбинации автолокализо- ванных экситонов в анатазе или свободных экситонов в рутиле, соответственно. ФЛ полосы в спек- тральном диапазоне 3.0-3.3 эВ отнесены к непрямым и прямым разрешенным переходам и являются следствием e –h + рекомбинации. ФЛ полосы при 3.03 эВ и 3.26 эВ отнесены к излучению свободных экситонов вблизи края фундаментального поглощения рутила и анатаза, соответственно. Обсуждает- ся влияние кристаллической структуры TiO2 и температуры прокаливания образцов на спектры фо- толюминесценции и оптического поглощения. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35640

The optical absorption and photoluminescence of nanocrystalline TiO2 samples of anatase and rutile were investigated at room temperature. Nanocrystalline TiO2 samples were synthesized in the form of pure anatase or rutile and studied by X-ray diffraction, X-ray fluorescence, Raman spectroscopy, optical absorption and photoluminescence (PL). PL was studied at room temperature when excited by intense UV (3.68 eV) by a nitrogen laser. For the first time for nanocrystalline TiO2 a features in the high-resolution PL spectra, including the exciton band and interband transitions were registered. It is concluded that the processes of absorption and emission of light near the edge of the forbidden zone occur with the participation of the same electronic transitions. PL bands, including the peaks at 2.71-2.81 eV in the anatase and rutile arise due to exciton recombination in the TiO2 lattice oxygen vacancies. The exciton peak at 2.91 eV is attributed to the recombination of self-trapped excitons in anatase or to the free exciton in rutile, respectively. PL bands within 3.0-3.3 eV attributed to indirect and direct allowed transitions due to electron-hole recombination. PL bands at 3.03 eV and 3.26 eV, attributed to the emission of free excitons near the fundamental absorption edge of rutile and anatase, respectively. The influence of TiO2 crystal structure and calcination temperature of the samples on the PL spectra and optical absorbtion is discussed. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35640