Фотолюмінесценція та магнітне підсилення в квантових точках ZnSe через кероване легування кобальтом
Анотація
Квантові точки (КТ) напівпровідників ZnSe, леговані іонами Co2+, були синтезовані у водному розчині з використанням крохмалю як поверхневого стабілізатора для забезпечення дисперсії наночастинок. Структурний та композиційний аналізи з використанням рентгенівської дифракції (XRD) та енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX) підтвердили успішне включення іонів Co2+ у матрицю ZnSe. Для визначення кристалічної структури, параметрів решітки та розмірів частинок квантових точок ZnSe, легованих Co, були використані рентгенівська дифракція та УФ-видима абсорбційна спектроскопія. Оптичні властивості були проаналізовані за допомогою абсорбційної та флуоресцентної спектроскопії, яка виявила зсув піку поглинання до синього кольору зі збільшенням концентрації Co через ефекти квантового обмеження та зміни розміру частинок. Аналіз фотолюмінесценції (PL) виявив подвійні піки випромінювання, що відповідають міжзонній рекомбінації та дефектним станам, пов'язаним з Co, з максимальною ефективністю люмінесценції, що спостерігається при рівні легування 9% Co. Поза цією концентрацією ефекти гасіння, пов'язані з взаємодіями Co-Co, зменшували інтенсивність флуоресценції. Вимірювання магнітного гістерезису показали, що квантові точки ZnSe, леговані Co, демонструють феромагнетизм при кімнатній температурі, при цьому намагніченість насичення зростає з концентрацією легування до 12%. Феромагнітні властивості були приписані обмінним взаємодіям між іонами Co2+ та матрицею ZnSe.
Завантаження
Посилання
S.B. Singh, M.V. Limaye, S.K. Date, et al. “Iron substitution in CdSe nanoparticles: Magnetic and optical properties,” Phys. Rev. B, 80(23), 235421 (2009). https://doi.org/10.1103/physrevb.80.235421
H.T. Van, N.D. Vinh, N.X. Ca, et al. “Effects of ligand and chemical affinity of S and Se precursors on the shape, structure and optical properties of ternary CdS1−xSex alloy nanocrystals,” Mater Lett. 264, 127387 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127387
N.X. Ca, H.T. Van, P.V. Do, et al. “Influence of precursor ratio and dopant concentration on the structure and optical properties of Cu-doped ZnCdSe-alloyed quantum dots,” RSC Adv. 10(43), 25618–25628 (2020). https://doi.org/10.1039/d0ra04257a
S. Das, and K.C. Mandal, “Optical downconversion in rare earth (Tb3+ and Yb3+) doped CdS nanocrystals,” Mater Lett. 66(1), 46–49 (2012). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.08.034
K. Senthilkumar, T. Kalaivani, S. Kanagesan, et al. “Synthesis and characterization studies of ZnSe quantum dots,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 23(11), 2048–2052 (2012). https://doi.org/10.1007/s10854-012-0701-1
U.B. Memon, U. Chatterjee, M.N. Gandhi, et al. “Synthesis of ZnSe Quantum Dots with Stoichiometric Ratio Difference and Study of its Optoelectronic Property,” Procedia Materials Science, 5, 1027–1033 (2014). https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.393
F. Baum, M.F. da Silva, G. Linden, et al. “Growth dynamics of zinc selenide quantum dots: the role of oleic acid concentration and synthesis temperature on driving optical properties,” Journal of Nanoparticle Research, 21(2), 42 (2019). https://doi.org/10.1007/s11051-019-4485-6
N.R. Vempuluru, H. Kwon, R. Parnapalle, et al. “ZnS/ZnSe heterojunction photocatalyst for augmented hydrogen production: Experimental and theoretical insights,” Int. J. Hydrogen Energy, 51, 524–539 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.249
S. Lin, J. Li, C. Pu, et al. “Surface and intrinsic contributions to extinction properties of ZnSe quantum dots,” Nano Res. 13(3), 824–831 (2020). https://doi.org/10.1007/s12274-020-2703-2
T. Zahra, M.M. Alanazi, S.D. Alahmari, et al. “Hydrothermally synthesized ZnSe@FeSe nanocomposite: A promising candidate for energy storage devices,” Int. J. Hydrogen Energy, 59, 97–106 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.293
M. El-Assar, T.E. Taha, F.E.A. El-Samie, et al. “ZnSe-based highly-sensitive SPR biosensor for detection of different cancer cells and urine glucose levels,” Opt. Quantum Electron. 55, 76 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-022-04326-y
N.T. Hien, P.M. Tan, H.T. Van, et al. “Photoluminescence properties of Cu-doped CdTeSe alloyed quantum dots versus laser excitation power and temperature,” J. Lumin. 218, 116838 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.116838
N.X. Ca, N.T. Hien, P.N. Loan, et al. “Optical and Ferromagnetic Properties of Ni-Doped CdTeSe Quantum Dots,” J. Electron. Mater. 48(4), 2593–2599 (2019). https://doi.org/10.1007/s11664-019-07017-9
N.A. Hamizi, F. Aplop, H.Y. Haw, et al. “Tunable optical properties of Mn-doped CdSe quantum dots synthesized via inverse micelle technique,” Opt. Mater. Express, 6(9), 2915 (2016). https://doi.org/10.1364/ome.6.002915
H.T. Van, N.D. Vinh, P.M. Tan, et al. “Synthesis and optical properties of tunable dual emission copper doped CdTe1-xSex alloy nanocrystals,” Opt. Mater. (Amst). 97, 109392 (2019). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.109392
A. Ganguly, and S.S. Nath, “Mn-doped CdS quantum dots as sensitizers in solar cells,” Materials Science and Engineering: B, 255, 114532 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114532
F. Ibraheem, M.A. Mahdy, E.A. Mahmoud, et al. “Tuning Paramagnetic effect of Co-Doped CdS diluted magnetic semiconductor quantum dots,” J. Alloys Compd. 834, 155196 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155196
S. Xiong, B. Xi, C. Wang, et al. “Solution‐Phase Synthesis and High Photocatalytic Activity of Wurtzite ZnSe Ultrathin Nanobelts: A General Route to 1D Semiconductor Nanostructured Materials.” Chemistry – A European Journal, 13(28), 7926 7932 (2007). https://doi.org/10.1002/chem.200700334
T. Gupta, and R.P. Chauhan, “Structural, morphological, and electrical properties of ZnSe nanostructures: Effects of Zn precursors,” Surfaces and Interfaces, 25, 101196 (2021). https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101196
R.K. Yadav, and P. Chauhan, “Estimation of lattice strain in Mn-doped ZnO nanoparticles and its effect on structural and optical properties,” Indian Journal of Pure & Applied Physics, 57, 881-890 (2019). https://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/52775/1/IJPAP%2057%2812%29%20881-890.pdf
R. Khalid, A.N. Alhazaa, and M.A.M. Khan, “Synthesis, characterization and properties of Mn-doped ZnO nanoparticles,” Applied Physics A, 124(8), 536 (2018). https://doi.org/10.1007/s00339-018-1934-5
M.T. Yaraki, M. Tayebi, M. Ahmadieh, et al. “Synthesis and optical properties of cysteamine-capped ZnS quantum dots for aflatoxin quantification,” J. Alloys Compd. 690, 749–758 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.158
F. Iselau, T.P. Xuan, A. Matic, et al. “Competitive adsorption of amylopectin and amylose on cationic nanoparticles: a study on the aggregation mechanism,” Soft Matter. 12(14), 3388–3397 (2016). https://doi.org/10.1039/c6sm00165c
O.S. Oluwafemi, and O.O. Adeyemi, “One-pot room temperature synthesis of biopolymer-capped ZnSe nanoparticles,” Mater. Lett. 64(21), 2310–2313 (2010). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.07.021
K. Senthilkumar, T. Kalaivani, S. Kanagesan, et al. “Low temperature method for synthesis of starch-capped ZnSe nanoparticles and its characterization studies,” J. Appl. Phys. 112(11), (2012). https://doi.org/10.1063/1.4767924
M. Grabolle, M. Spieles, V. Lesnyak, et al. “Determination of the Fluorescence Quantum Yield of Quantum Dots: Suitable Procedures and Achievable Uncertainties,” Anal. Chem. 81(15), 6285–6294 (2009). https://doi.org/10.1021/ac900308v
N. Soltani, E. Saion, W.M.M. Yunus, et al. “Enhancement of visible light photocatalytic activity of ZnS and CdS nanoparticles based on organic and inorganic coating,” Appl. Surf. Sci. 290, 440–447 (2014). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.11.104
I. Elhamdi, H. Souissi, O. Taktak, et al. “Experimental and modeling study of ZnO:Ni nanoparticles for near-infrared light emitting diodes,” RSC Adv. 12(21), 13074–13086 (2022). https://doi.org/10.1039/d2ra00452f
A. Sahai, and N. Goswami, “Structural and vibrational properties of ZnO nanoparticles synthesized by the chemical precipitation method,” Physica E: Low Dimens. Syst. Nanostruct. 58, 130–137 (2014). https://doi.org/10.1016/j.physe.2013.12.009
R. Yuvakkumar, J. Suresh, B. Saravanakumar, et al. “Rambutan peels promoted biomimetic synthesis of bioinspired zinc oxide nanochains for biomedical applications,” Spectrochim Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc. 137, 250–258 (2015). https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.08.022
R.F. Silva, and M.E.D. Zaniquelli, “Morphology of nanometric size particulate aluminium-doped zinc oxide films,” Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 198–200, 551–558 (2002). https://doi.org/10.1016/s0927-7757(01)00959-1
K.M. Gendo, R.F. Bogale, and G. Kenasa, “Green Synthesis, Characterization, and Evaluation of Photocatalytic and Antibacterial Activities of Co3O4–ZnO Nanocomposites Using Calpurnia aurea Leaf Extract,” ACS Omega, 9(26), 28354–28371 (2024). https://doi.org/10.1021/acsomega.4c01595
L. Liu, L. Yang, Y. Pu, et al. “Optical properties of water-soluble Co2+:ZnS semiconductor nanocrystals synthesized by a hydrothermal process,” Mater. Lett. 66(1), 121–124 (2012). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.08.025
S. Sambasivam, D.P. Joseph, J.G. Lin, et al. “Doping induced magnetism in Co–ZnS nanoparticles,” J. Solid State Chem. 182(10), 2598–2601 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2009.07.015
G. Murugadoss, B. Rajamannan, and V. Ramasamy, “Synthesis and Photoluminescence Study Of PVA-Capped ZnS:Mn2+ Nanoparticles, Dig. J. Nanomater. Biostruct. 991(1–3), 202-206 (2010). https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2011.02.026
F. Qiao, R. Kang, Q. Liang, et al. “Tunability in the Optical and Electronic Properties of ZnSe Microspheres via Ag and Mn Doping,” ACS Omega, 4(7), 12271–12277 (2019). https://doi.org/10.1021/acsomega.9b01539
G.M. Lohar, H.D. Dhaygude, R.A. Patil, et al. “Studies of properties of Fe2+ doped ZnSe nano-needles for photoelectrochemical cell application,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 26(11), 8904–8914 (2015). https://doi.org/10.1007/s10854-015-3572-4
C. Li, H. Zhang, and C. Cheng, “CdS/CdSe co-sensitized 3D SnO 2 /TiO 2 sea urchin-like nanotube arrays as an efficient photoanode for photoelectrochemical hydrogen generation,” RSC Adv. 6(44), 37407–37411 (2016). https://doi.org/10.1039/c6ra02176j
S. Laureti, E. Agostinelli, G. Scavia, et al. “Effect of oxygen partial pressure on PLD cobalt oxide films,” Appl. Surf. Sci. 254(16), 5111–5115 (2008). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.02.055
X. Su, L. Wang, J. Chen, et al. “Role of cobalt in ZnO : Co thin films,” J. Phys. D Appl. Phys. 44(26), 265002 (2011). https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/26/265002
N.F. Djaja, D.A. Montja, and R. Saleh, “The Effect of Co Incorporation into ZnO Nanoparticles. Advances in Materials Physics and Chemistry,” 03(01), 33–41 (2013). https://doi.org/10.4236/ampc.2013.31006
Авторське право (c) 2025 Тхі Дьєм Буй, Куанг-Лієм Нгуєн, Ван Куонг Нгуєн, Чонг Тан Нгуєн, Хуу Фук Данг
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
