Band Gap Enhancement and Temperature Dependent PL in Sol-gel Synthesized Ce Doped ZnO Nanoparticles

Abstract

Золь-гель синтез був використаний для одержання нелегованих і легованих 2 ат. % Ce наночастинок (НЧ) ZnO (CZO). Виразні характерні піки поглинання при 520 та 524 см – 1 спостерігаються у спектрах FTIR НЧ, які зазвичай відповідають режиму розтягування Zn–O. Це підтвердило утворення ZnO у зразках. Також спостерігалися інші піки при 628 та 631 см – 1, що відповідають антисиметричним коливанням Zn–O–Zn. Спектри пропускання УФ та видимого випромінювання виявили провали поглинання при 370 та 364 нм відповідно для нелегованих НЧ ZnO та CZO, а відповідні значення ширини забороненої зони становили 3,34 та 3,41 еВ. Спектри випромінювання фотолюмінесценції (ФЛ) нелегованих НЧ ZnO мали один основний пік при 391 нм (УФ) разом із слабкими видимими піками при 467, 480 та 492 нм. УФ пік демонструє постійне зростання інтенсивності із зниженням температури в межах від 50 до – 10 ºС. УФ пік також злегка зміщується у синю область із зниженням температури. Температурно-залежні спектри ФЛ НЧ CZO теж мали подібні піки, але було помічено дуже слабку зміну інтенсивності з температурою, і зсув УФ піку у синю область відбувся при негативній температурі. Залежні від температури властивості ФЛ та збільшення ширини забороненої зони НЧ CZO можуть мати потенційне застосування в оптоелектроніці.

Sol-gel synthesis route was adopted to prepare undoped and 2 at. % Ce doped ZnO (CZO) nanoparticles (NPs). Distinct characteristic absorption peaks at 520 and 524 cm – 1 are seen in FTIR spectra of NPs, which generally correspond to Zn–O stretching mode. This confirmed the formation of ZnO in the samples. Other peaks at 628 and 631 cm – 1 were also observed corresponding to Zn–O–Zn antisymmetric vibrations. UV-Vis transmission spectra revealed absorption dips at 370 and 364 nm respectively for undoped ZnO and CZO NPs and the corresponding band gap values were estimated to be 3.34 and 3.41 eV. The photoluminescence (PL) emission spectra of undoped ZnO NPs had one major peak at 391 nm (UV) along with feeble visible peaks at 467, 480 and 492 nm. The UV peak observes a continuous rise in intensity with reduction in temperature ranging from 50 ºC to – 10 ºC. The UV peak also blue-shifted slightly with temperature lowering. The temperature dependent PL spectra of CZO NPs too had similar peaks but a very feeble change in the intensity with temperature was noticed and the blue-shift of the UV peak occurred at negative temperature. The temperature dependent PL properties and band gap enhancement in CZO NPs may have potential applications in optoelectronics.