Optical Properties of Co-doped Zinc Oxide Nanoparticles, Prepared by Pulsed Laser Ablation in Liquids

Abstract

В роботі представлено результати експериментального дослідження спектрів поглинання та фотолюмінесценції наночастинок ZnCoO, отриманих методом імпульсної лазерної абляції твердотільних мішеней у рідкому середовищі. Структурні дослідження проводились із використанням рентгенівської дифракції та скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). Отримані дані свідчать про ріст нанокристалів в гексагональній вюрцитній структурі з переважною орієнтацією (002) без утворення вторинних фаз. Результати СЕМ демонструють отримання складних, квітко-подібних утворень наночастинок ZnCoO. В спектрах поглинання колоїдних наночастинок виявлено короткохвильовий зсув краю фундаментального поглинання, зумовлений квантово-розмірним ефектом. Зростання концентрації кобальту приводить до довгохвильового зсуву краю фундаментального поглинання, що зумовлено проявом s, p - d обмінної взаємодії зонних носіїв із локалізованими спінами магнітної компоненти. В спектрах фотолюмінесценції, виміряних при кімнатній температурі, спостерігаються чотири смуги випромінювання, зумовлені екситонними переходами на краю фундаментального поглинання та наявними домішками і дефектами.

В работе представлены результаты экспериментального исследования спектров поглощения и фотолюминесценции наночастиц ZnCoO, полученных методом импульсной лазерной абляции твердотельных мишеней в жидкой среде. Структурные исследования проводились с использованием рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Полученные данные свидетельствуют о росте нанокристаллов в гексагональной вюрцитной структуре с преимущественной ориентацией (002) без образования вторичных фаз. Результаты СЭМ демонстрируют получения сложных, цветок-подобных образований наночастиц ZnCoO. В спектрах поглощения коллоидных наночастиц обнаружено коротковолновый сдвиг края фундаментального поглощения, обусловленный квантово-размерным эффектом. Рост концентрации кобальта приводит к длинноволновому сдвигу края фундаментального поглощения, обусловленного проявлением s, p- d обменного взаимодействия зонных носителей с локализованными спинами магнитной компоненты. В спектрах фотолюминесценции, измеренных при комнатной температуре, наблюдаются четыре полосы излучения, обусловленные экситонными переходами на краю фундаментального поглощения и имеющимися примесями и дефектами.

Results of study of Zn1 – xCoxO nanoparticles, which were grown by pulsed laser ablation in liquid medium (PLAL), have been presented. Zn1 – xCoxO nanoparticles were produced by laser ablation of ceramic plates as targets in deionized water. The structural analysis using X-ray diffraction (XRD) of nanocrystals reveals the formation of predominant (002) reflection corresponding to the hexagonal wurtzite structure without any secondary phase. The performed scanning electron microscopy (SEM) analysis suggests of the well-defined flower-like nanoparticles. In optical absorption spectra of the colloidal nanoparticles short wavelength shift of the absorption edge due to confinement effect has been observed. With increasing of cobalt content the optical absorption spectra shown a red shift of the band edge which are caused by to the s, p-d exchange interactions between the band electrons and the localized spins of magnetic impurities. In the room temperature photoluminescence spectra of Zn1 – xCoxO nanoparticles four main peaks were revealed, which are attributed to the band - edge transitions and vacancies or defects