Estudo da modificação da fotoluminescência em α-Bi2O3 após tratamento térmico assistido por pressão

Abstract

Este estudo avaliou o efeito de um tratamento térmico assistido por pressão sobre as propriedades de fotoluminescência do óxido de bismuto (α-Bi2O3) sintetizado pelo método hidrotérmico assistido por micro-ondas (HAM). O α-Bi2O3 teve sua estrutura determinada através da técnica de Difração de raios X, e com o auxílio de refinamentos pelo método de Rietveld foi possível visualizar que a amostra tratada com pressão possui um ângulo entre os clusters [BiO6]-[BiO6] ligeiramente maior. As técnicas de microscopia eletrônica de varredura e transmissão possibilitaram a definição da morfologia acicular, tamanho e direção de crescimento dos cristais. A composição química dos materiais foi avaliada pelas espectroscopias Raman e de Fotoelétrons excitados por raios X, onde os espectros Raman mostraram um aumento da intensidade nos modos acima de 284cm-1 na amostra tratada com pressão, sugerindo uma alteração na densidade eletrônica. Os espectros XPS em ambas amostras não mostraram a presença de contaminantes, fase secundária ou íons Bi2+. Ambas as técnicas mostraram que as emissões PL do α-Bi2O3 na região de baixa energia (inferior a 2,1 eV) são atribuídas a lacunas de oxigênio que formam estados doadores. As propriedades óticas dos materiais foram avaliadas e comparadas com o auxílio da técnica de espectroscopia Uv-vis, onde não foi possível verificar nenhuma alteração significativa nas amostras. As propriedades fotoluminescentes das amostras também foram medidas e comparadas. Foi possível verificar que o tratamento térmico assistido por pressão causou um aumento angular entre os clusters [BiO6] - [BiO6] do α-Bi2O3, resultando num aumento significativo da intensidade da emissão PL na amostra tratada com pressão. Cálculos teóricos foram utilizados para simular as bandas de valência e condução dos materiais assim como a densidade eletrônica média nessas bandas. Através dos cálculos foi possível visualizar como a distorção dos clusters altera a polarização dos estados O 2p, e consequentemente a densidade eletrônica dos cristais.

This research evaluated the effect of a pressure-assisted heat treatment (PAHT) on the photoluminescent (PL) properties of bismuth oxide (α-Bi2O3), which was synthesized by a microwave-assisted hydrothermal (MAH) method. α-Bi2O3 crystal structure was characterized X-ray diffraction, and Rietveld refinements showed the pressure-assisted heat treatment caused an angular increase between the [BiO6]– [BiO6] clusters of α-Bi2O3. Scanning and transmission electron microscopies allowed defining the morphology (acicular), size and crystal growth direction of crystals. Chemical composition of samples was evaluated by Raman and X-ray photoelectron (XPS) spectroscopies. Raman spectra showed an increase in the spectrum intensity for frequencies higher than 284 cm-1 for PAHT samples, which suggests an alteration in the electronic density of crystals. XPS spectra of samples did not show the presence of contaminants, secondary phases and Bi2+ ions. Both Raman and XPS spectra also showed that the α-Bi2O3 PL emissions in the low-energy region (below 2.1 eV) are attributed to oxygen vacancies that form defect donor states. UV–vis absorption spectra showed no significant difference between samples. The angular increase between [BiO6]–[BiO6] clusters of α-Bi2O3 promoted a significant rise in the electronic density of the material, which was considered as the cause for the increase in PL emission intensity in PAHT samples. First-principles total-energy calculations were carried out within the periodic density-functional-theory (DFT) to simulate valence and conduction bands, and the average electronic density in these bands. Theoretical results showed how cluster distortion alters the polarization of O 2p states, and consequently, the electronic density of crystals.