Síntese e caracterização de materiais semicondutores nanoestruturados luminescentes à base de ZnS

Abstract

Nanocristais tem sido extensivamente investigados nos últimos anos devido à sua ampla gama de aplicações em vários dispositivos tais como sensores, células solares, lasers, fotocatalisadores, fotodetectores, detectores de infravermelhos, diodos emissores de luz, materiais eletroluminescentes e outros materiais emissores de luz. Semicondutores nanocristalinos apresentam propriedades eletrônicas intermediárias entre aqueles de estrutura molecular e sólidos macrocristalinos, proporcionando uma ampla gama de aplicações. Entre estes materiais, o sulfeto de zinco (ZnS) puro ou dopado tem recebido notável atenção por causa de suas propriedades estruturais ópticas, versatilidade e potencial para várias aplicações tecnológicas. O ZnS é um típico semicondutor II-VI, com um gap direto de 3,6 eV à temperatura ambiente e aproximadamente 40 meV de energia de gap, sendo um bom material luminescente utilizado em telas, sensores e lasers. Como material de gap largo, o ZnS pode facilmente hospedar diferentes metais de transição como centros luminescentes. Entre estes íons de metais de transição para estruturas dopadas, os íons Cu2+e Mn2+ são atraentes pelas emissões de luz características e por apresentarem propriedades eficientes para aplicações como luminóforos. A inserção desses íons na estrutura do ZnS proporcionam defeitos que resultam em emissão no verde para os íons Cu2+e emissão no laranja para os íons Mn2+. Neste estudo, as amostras de ZnS pura e dopadas com Cu2+ e Mn2+ foram preparados pelo método solvotermal, que demonstra ser um processo eficaz para preparar nanopartículas. Uma vez preparadas, as estruturas das amostras nanoestruturadas foram caracterizadas e correlacionada s com propriedades fotoluminescentes. Os resultados de difração de raios X mostram que as amostras de ZnS foram cristalizadas completamente sem a presença de fases secundárias e os difratogramas correspondem à estrutura blenda cúbica de zinco com grupo espacial F-43m. Os espectros de XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) teóricos e experimentais na borda K do Zn indicam que a incorporação de átomos de Mn na matriz ZnS causam a formação de vacâncias de Zn e S, a qual é confirmada por ajustes de espectros EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure). Estas vacâncias estão relacionadas com um desvio para o vermelho observado no pico do espectro de fotoluminescência devido a adição de Mn na estrutura do ZnS. Para o ZnS puro, o pico é centrado em ~ 504 nm, relativo as vacâncias de S na amostra nanoestruturada. À medida que se aumenta a porcentagem de Mn na matriz ZnS, uma emissão no amarelo-laranja centrada em ~ 590 nm pode ser observada, associada com a transição 4T1-6A1 no interior de níveis 3d de Mn2+. A adição de íons Cu2+ ao ZnS resulta em um alargamento no pico do espectro de fotoluminescência decorrente de emissão no azul-verde, que está relacionada a recombinação de elétrons de níveis de defeitos mais profundos dos estados t2 do Cu próximos da banda de valência.

Nanocrystals has been extensively investigated in recent years due to its wide range of applications in various devices light emitting materials such as sensors, solar cells, lasers, photocatalysts, photodetectors, IR detectors, light emitting diodes and others. Nanocrystalline Semiconductors have electronic properties between those intermediate molecular macrocristalinos and solid structure, providing a wide range of applications. Among these materials, zinc sulfide (ZnS) pure or doped has received considerable attention because of its optical structural properties, versatility and potential for several technological applications. The ZnS is a typical II-VI semiconductor with a direct band gap of 3.6 eV at room temperature and about 40 meV in energy gap, and a good luminescent material for constrution of displays, lasers and sensors. As wide band gap material, ZnS can easily host different transition metals as luminescent centers. Among these ions of transition metal doped structures, Cu2+ and Mn2+ ions are attractive for light emission characteristics and for having effective properties for applications such as phosphors. The addition of these ions in ZnS structure provide defects that result in emission in the green for the Cu2+ ions and emission in orange for the Mn2+ ions. In this study, samples of pure ZnS and doped with Cu2+ and Mn2+ ions were prepared by solvotermal method, which demonstrate to be an effective process for preparing nanoparticles. Once prepared, the structures of the nanostructured samples were characterized and correlated with photoluminescent properties. The results of X-ray diffraction showed that the ZnS samples were completely crystallized without the presence of secondary phases and XRD patterns correspond to the structure of zinc blende to cubic space group F-43m. spectra XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) theoretical and experimental in the Zn K edge indicates that the inclusion of Mn atoms in the ZnS matrix cause the formation of Zn and S vacancies, which is confirmed by spectral adjustments EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure). These vacancies are associated with a red shift observed in the photoluminescence spectrum peak due to the addition of Mn in ZnS structure. For pure ZnS, the peak is centered at ~ 504 nm concerning the vacancies in the S nanostructured sample. As it increases the percentage of Mn in the ZnS matrix, in yellow-orange emission centered at ~ 590 nm can be observed, associated with the transition 4 T1- 6A1 inside 3d levels of Mn2+. Adding Cu2+ to the ZnS results in a broadening of the peak of the photoluminescence spectrum due to emission in blue-green, which is related to recombination deeper defect levels of electrons of t2 Cu states near the valence band.