Band Gap Reduction and Petal-like Nanostructure Formation in Heavily Ce-doped ZnO Nanopowders

Abstract

Метою дослідження є вивчення структурної та оптичної поведінки системи наночастинок ZnO, сильно легованих Ce. Для синтезу наночастинок застосовано добре відомий хімічний метод золь-гелю та охарактеризовано їх структурні, оптичні та морфологічні особливості. Рентгенографічний аналіз (XRD) та енергодисперсійна рентгенівська спектроскопія (EDX) підтверджують наявність атома Ce у підготовленому зразку. Дані XRD підтверджують, що іони Ce3+ займають місця іонів Zn2+ у гексагональній решітці ZnO під час легування. Завдяки більш високій концентрації легування надлишок Ce показує присутність змішаних фаз CeO2 та Ce2O3 у зразку. Аналіз Вільямсона-Хола допомагає отримати профіль мікродеформації у вирощеному зразку. Дослідження UV-Vis підтверджує зміщення забороненої зони в легованих зразках, а дослідження фотолюмінесценції вказує на наявність дефектних станів, які є причиною переходів поблизу країв зони у зразках. Підготовлені зразки також характеризували за допомогою FESEM для аналізу морфології поверхні та нанокристалічних структур.

The objective of the present study is to explore the structural and optical behavior of a heavily Cedoped ZnO nanoparticle system. Well-known chemical sol-gel method is adopted for the synthesis of the nanoparticles and its structural, optical, and morphological features are characterized. XRD and EDX analysis verify the presence of Ce atom in prepared sample. XRD data confirm that the Ce3+ ions occupy the Zn2+ ion sites in the hexagonal ZnO lattice during doping process. Due to higher doping concentration, excess Ce shows the presence of mixed CeO2 and Ce2O3 phases in the sample. W-H analysis helps to understand the micro-strain profile in the grown sample. UV-Vis study confirms the band gap shifting in doped samples and Photoluminescence study gives the indication of the presence of defect states which are the reason behind NBE transitions in the samples. Prepared sample were also characterized using FESEM to analyze the surface morphology and nanocrystalline structures.