АНАЛИЗ  СПЕКТРОВ  ПОГЛОЩЕНИЯ  ГИБРИДНЫХ  НАНОКОМПОЗИТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ  НА  ОСНОВЕ  НАНОКРИСТАЛЛОВ  СУЛЬФИДОВ  МЕТАЛЛОВ  В  МАТРИЦЕ  ИЗ  ПОЛИВИНИЛОВОГО  СПИРТА

Фарус  Оксана  Анатольевна

канд.  хим.  наук,  доцент,  ОГПУ,  РФ,  г.  Оренбург

E-mail: 

ANALYSIS  OF  THE  ABSORPTION   OF  NANOCOMPOSITE  MATERIALS  HYBRID  BASED  NANOCRYSTALS  METAL  SULFIDE  IN  A  POLYVINYL  ALCOHOL  MATRIX

Oksana  Farus

candidate  of  chemical  science ,  Associate  Professor  of  Orenburg  State  Pedagogical  University,  Russia  Orenburg

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены  оптические  свойства  гибридных  нанокомпозитных  материалов  на  основе  поливинилового  спирта  и  наночастиц  сульфидов  свинца,  ртути  и  кадмия.  Произведены  расчеты  ширины  запрещенной  зоны  и  размера  наночастиц  в  синтезированных  материалах.

ABSTRACT

The  optical  properties  of  hybrid  nanocomposite  materials  based  on  polyvinyl  alcohol  and  nanoparticles  sulphides  of  lead,  mercury  and  cadmium.  The  calculation  of  the  band  gap  and  the  size  of  nanoparticles  in  the  synthesized  materials.

Ключевые  слова :  гибридные  нанокомпозитные  материалы;  оптические  свойства;  наночастицы  сульфидов  металлов;  экситон;  спектры  поглощения;  ширина  запрещенной  зоны.

Keywords :  hybrid  nanocomposite  materials,  optical  properties,  nanoparticles  of  metal  sulfides;  exciton;  absorption  spectra;  bandgap.

Введение.

Современный  этап  развития  науки  характеризуется  поиском  и  созданием  современных  стабильных  материалов,  полученных  на  основе  наночастиц  полупроводников,  с  определенным  набором  оптических  свойств.  Одной  из  основных  проблем  в  создании  таких  систем,  является  нестабильность  фаз  в  нанокристаллическом  состоянии. 

Для  стабилизации  подобных  систем  широко  используют  метод,  основаный  на  получении  гибридных  материалов.  В  подобных  системах  частицы  помещаются  в  химически  совместимую  с  ними  матрицу,  что  делает  их  более  удобными  в  практическом  применении.  Создание  подобных  материалов  защищает  наночастицы  от  агрегации,  и  от  внешних  воздействий  (например,  от  окисления  кислородом  воздуха). 

В  качестве  матрицы  целесообразно  использовать  стабильные  и  широко  доступные  полимеры,  такие  как  поливиниловый  спирт  (ПВС).  Данный  полимер  имеет  ряд  преимуществ:  легко  смешивается  как  с  органическими,  так  и  с  неорганическими  наполнителями;  относится  к  термопластичным  полимерам,  что  позволяет  изготавливать  на  его  основе  изделия  необходимой  формы  и  размеров  в  мягких  условиях;  его  стоимость  не  высока,  технология  и  производство  хорошо  разработаны  [1—4].

Экспериментальная  часть.

Нами  были  получены  бинарные  нанокомпозитные  материалы  на  основе  ПВС  и  сульфидов  металлов,  в  виде  монолитных  структур  золь-гель  методом. 

Были  изучены  оптические  свойства  полученных  композитов,  содержащие  наночастицы  сульфидов  металлов,  поскольку  ПВС  характеризуется  максимами  поглощения,  снятие  спектра  производилось  относительно  пленки  чистого  ПВС.

Для  исследования  спектральной  зависимости  коэффициента  поглощения  от  концентрации  ионов  металлов  был  проведен  сравнительный  анализ  спектров  поглощения  пленок,  полученных  из  растворов  с  концентрацией  ионов  10^-1М  и  10^-2М  (рис.  1).

                         а)                                                                 б)

Рисунок  1.  Спектры  поглощения  пленок  на  основе  ПВС  и  сульфидов  металлов  а)  концентрация  исходного  прекурсора  0,1  моль/л;  б)  концентрация  исходного  прекурсора  0,01  моль/л

Обсуждение  результатов. 

Полученные  спектральные  данные  позволяют  сделать  вывод,  что  материалы,  содержащие  большую  долю  наночастиц,  имеют  несколько  максимумов  поглощения,  следовательно,  в  них  содержится  наночастицы  различного  размера.  Образцы  массовая  доля  частиц,  в  которых  в  десять  раз  меньше,  характеризуются  наличием  одного  максимума,  что  свидетельствует  об  образовании  частиц  одного  размера.

  Полученные  материалы  также  были  исследованы  оптическим  методом  [6],  который  подтвердил,  что  при  уменьшении  концентрации  исходного  реагента  происходит  уменьшение  размера  наночастиц.  Для  таких  систем  должен  происходит  сдвиг  максимума  поглощения  в  синюю  часть  спектра.  Для  исследуемых  систем  наблюдается  сдвиг  в  красную  часть  спектра.  Это  можно  объяснить  тем,  что  оптические  свойства  полупроводниковых  наночастиц  определяются  отношением  их  радиуса  (а)  к  Боровскому  радиусу  экситона  объемного  материала  (a_ex).  Необходимо  учитывать  при  анализе  экспериментальных  данных  три  случая:  a>>a_ex,  a~a_ex,  a<<a_ex. 

Исследуемые  НЧ  обладают  достаточно  большим  радиусом  Боровской  орбиты  (a<<a_ex)  и  сравнительно  низкой  эффективной  массой,  поэтому  поведение  электрона  и  дырки  будет  сравнимо  с  поведением  невзаимодействующих  частиц  в  потенциальной  яме.  Для  таких  частиц,  согласно  литературным  данным,  увеличение  ширины  запрещенной  зоны  приводит  к  смещению  края  полосы  поглощения  при  уменьшении  размеров  частиц  в  сторону  больших  длин  волн  [3,  5]. 

Анализ  спектров  поглощения  позволил  рассчитать  ширину  запрещенной  зоны  и  размер  частиц.  Для  этого  был  построен  график  зависимости  ε²Е²/Е,  где  ε  —  коэффициент  экстинкции,  Е  —  энергия.  Для  гибридных  композитов,  содержащие  наночастицы  сульфида  кадмия  приведены  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Спектры  поглощения  пленок  CdS-ПВС  в  нормированных  координатах

Размер  частиц  (d)  был  рассчитан  по  формуле:

где:  m*  —  масса  экситона, 

E_g  —  ширина  запрещенной  зоны  для  объемного  кристалла, 

h  —  постоянная  Планка.

Все  полученные  данные  сведены  в  таблицу  (табл.1).

Таблица  1.

Оптические  свойства  бинарных  нанокомпозитных  материалов

Таким  образом,  были  исследованы  оптические  свойства  композиционных  гибридных  наноматериалов,  содержащих  наночастицы  сульфидов  металлов.  В  результате  исследования  была  обнаружена  возможность  создания  оптически  прозрачных,  слабо  рассеивающих  полимерных  матриц  с  наночастмцами. 

Список  литературы

1.Гуляева  Е.В.  Синтез  наночастиц  CdS,  ZnS  И  Ag₂S  в  жидких  системах  с  ПАВ:  автореф.  дис.  …  канд.  хим.  наук  (02.00.11)  М.,  2013.  —  18  с.

2.Королева  М.Ю.  Устойчивость  и  оптические  свойства  дисперсий  наночастиц  CdS,  ZnS  и  Ag₂S,  синтезированных  в  микроэмульсии  //  Журнал  неорганической  химии.  —  2012.  —  Т.  57.  —  №  3.  —  С.  69—75.

3.Лукашин  А.В.,  Елисеев  А.А.  Синтез  полупроводниковых  наночастиц  сульфида  свинца  и  сульфида  кадмия  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.chem.msu.su/rus/teaching/kaul/7_  Nanokolloid_red.pdf

4.Пак  В.Н.  Оптические  свойства  наночастиц  сульфидов  цинка  и  кадмия  в  силикагеле  //  Известия  РГПУ  им.  А.И.  Герцена.  —  2008.  —  №  64.  —  С.  11—13.

5.Соловьёв  В.Г.  Размерные  эффекты  в  наноструктурах  на  основе  регулярных  пористых  матриц  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://cyberleninka.ru/article/n/razmernye-effekty-v-nanostrukturah-na-osnovere-  gulyarnyh-poristyh-matrits 

6.Фарус  О.А.  Получение  нанокомпозитов  на  основе  поливинилового  спирта  и  наночастиц  сульфидов  свинца,  ртути  и  кадмия  (ПВС-MeS,  где  Me=Pb,  Hg,  Cd)  и  сравнение  их  устойчивости  с  аналогичными  микроэмульсиями  //Инновации  в  науке.  Новосибирск.  —  2013.  —  №  23.  —  С.  14—18.