Photolumineszierende Nanopartikeloberflächen : die Systeme [Ba tief x Mg tief 1-xO] und [Zn tief x Mg tief 1-x O]

Abstract

Niedrig koordinierte Zentren in der Oberfläche der Erdalkalimetalloxide absorbieren und emittieren Licht mit λ > 200 nm.1 Die Anreicherung und Manipulation dieser niedrig koordinierten Zentren bieten die Möglichkeit zur Synthese von Nanopartikeln mit definierten optischen und chemischen Eigenschaften. Die Morphologie und die spektroskopischen Eigenschaften der reinen Erdalkalimetalloxide wurden bereit ausführlich untersucht.2-4 MgO-Teilchen besitzen nach thermischer Aktivierung (T = 1173 K; p < 10-5 mbar) einen mittleren Partikeldurchmesser von 6 nm und eine würfelige Gestalt, die durch Oberflächenabschlüsse mit (100)-Ebenen entsteht. CaO- und SrO-Nanopartikel weichen deutlich von der Würfelform ab und besitzen mittlere Partikeldurchmesser von 27 nm und größer. BaO-Nanopartikel aggregieren ab einer Temperatur von 673 K zu einem millimetergroßen Korn, was vergleichbare Untersuchungen dieses Materials als Pulver unmöglich macht. Somit ist die Herstellung von Ba2+ dotierten MgO-Nanopartikeln die einzige Möglichkeit um BaO-spezifische Eigenschaften zu studieren.<br />BaxMg1-xO-Nanopartikel konnten, mittels der Bedampfung von MgO Nanowürfeln mit Ba (0.03 at.% Ba), einerseits, und der gleichzeitigen Verbrennung von Mg- und Ba Dampf im CVD-Prozess5 (2 at.% Ba, 4 at.% Ba und 6 at.% Ba), andererseits, dargestellt werden. Die mittlere Partikelgröße steigt mit ansteigender Ba Konzentration von 5 nm (0.03 at.% Ba) über 7 nm (2 at.% Ba und 4 at.% Ba) auf 35 nm (6 at.% Ba) an, wobei die für MgO charakteristische würfelige Gestalt verloren geht. Die Funktionalisierung der Oxidoberfläche durch Ba2+ kann durch DR-UV/VIS-, Photolumineszenz- und FTIR-Spektroskopie an vollständig dehydroxylierten Proben mittels H2 und O2 Adsorption bestätigt werden.<br />Für Ba0.06Mg0.94O können mittels Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) sogar halbkugelförmige BaO-Deposite auf den BaxMg1 xO Mischkristallen nachgewiesen werden. Die optischen Eigenschaften von MgO werden schon durch die Dotierung mit 0.03 at.% Ba verändert. Durch eine vergleichende Abschätzung der Emissionseigenschaften für BaxMg1-xO-Nanopartikel (x = 2, 4 oder 6) konnte gezeigt werden, dass die Lumineszenzintensität einen Zusammenhang mit der Partikelgestalt aufweist. Für die Photoanregung bei λEx = 340 nm konnte für die Lumineszenzemission von Ba0.02Mg0.98O-Nanopartikeln bei Raumtemperatur erstmals eine Quantenausbeute bestimmt werden, die mit 12% ± 2% bemerkenswert hoch ist. Weiters kann davon ausgegangen werden, dass die Erhöhung der Ba-Konzentration zu einer Steigerung der Photolumineszenz-Emissionsintensität und somit der Quantenausbeute führt. Somit stellen Ba2+-oberflächenfunktionalisierte MgO-Nanopartikel ein Material dar, dessen optische Eigenschaften durch Variation der Ba-Konzentration, der gewählten Photoanregungs-Wellenlänge und der Temperatur einstellbar sind. Die hohe Quantenausbeute in Verbindung mit den Emissionsbanden im sichtbaren Spektralbereich machen diese Materialien für optische Anwendungen interessant. ZnxMg1-xO-Nanowürfel mit mittleren Partikelgrößen von 8 nm (5 at.% Zn) und 15 nm (10 at.% Zn) konnten, mittels des CVD-Prozesses, dargestellt werden. Die chemischen und spektroskopischen Eigenschaften dieser faszinierenden Komposite, die aus einer Isolator- und einer Halbleiter-Komponente bestehen, sind damit einer unmittelbaren Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften zugänglich gemacht worden.<br />Die würfelige Form, spezifisch für MgO, bleibt durch Zn2+-Dotierung perfekt erhalten. Jedoch konnte für ZnxMg1-xO-Nanowürfel durch TEM-Aufnahmen keine ZnO-Anreicherung in der Oxidoberfläche festgestellt werden. Auch durch XRD Messungen konnten keine Wurzitstrukturen festgestellt werden. Trotzdem weisen UV/VIS-DR-, Photolumineszenz- und IR-Spektroskopie mittels H2 Chemisorption auf eine durch Zn2+-Ionen modifizierte elektronische Oberflächenstruktur hin. Die optischen Eigenschaften von MgO sind bereits durch Dotierung mit 5 at.% Zn, bezüglich Absorption und Lumineszenzemission, stark verändert. Bei einer Dotierung mit 10 at.% Zn können bereits Photolumineszenz Emissionsbanden beobachtet werden, die an die Emissionseigenschaften reiner ZnO-Nanopartikel erinnern.6 Jedoch wird die sichtbare Emissionsbande (λEm = 520 nm) bei Zn0.10Mg0.90O-Nanowürfeln nicht wie bei ZnO mit elektronischen Übergängen im Bulk7 des Materials sondern mit Prozessen an der Partikeloberfläche in Zusammenhang gebracht. (1) Spoto, G. et. al. Progress in Surface Science 2004, 76, 71.<br /> (2) Stankic, S. et. al. Angewandte Chemie-International Edition 2005, 44, 4917.<br /> (3) Stankic, S. et. al. Journal of Physical Chemistry B 2006, 110, 13866.<br /> (4) Stankic, S. et. al. Journal of Physical Chemistry C 2007, 111, 8069.<br /> (5) Knozinger, E. et. al. Journal of Molecular Catalysis a-Chemical 2000, 162, 83.<br /> (6) Zhou, J. G. et. al. Journal of Luminescence 2006, 119, 248.<br /> (7) van Dijken, A. et. al. Journal of Luminescence 2000, 90, 123.<br />Niedrig koordinierte Zentren in der Oberfläche der Erdalkalimetalloxide absorbieren und emittieren Licht mit λ > 200 nm.1 Die Anreicherung und Manipulation dieser niedrig koordinierten Zentren bieten die Möglichkeit zur Synthese von Nanopartikeln mit definierten optischen und chemischen Eigenschaften. Die Morphologie und die spektroskopischen Eigenschaften der reinen Erdalkalimetalloxide wurden bereit ausführlich untersucht.2-4 MgO-Teilchen besitzen nach thermischer Aktivierung (T = 1173 K; p < 10-5 mbar) einen mittleren Partikeldurchmesser von 6 nm und eine würfelige Gestalt, die durch Oberflächenabschlüsse mit (100)-Ebenen entsteht. CaO- und SrO-Nanopartikel weichen deutlich von der Würfelform ab und besitzen mittlere Partikeldurchmesser von 27 nm und größer. BaO-Nanopartikel aggregieren ab einer Temperatur von 673 K zu einem millimetergroßen Korn, was vergleichbare Untersuchungen dieses Materials als Pulver unmöglich macht. Somit ist die Herstellung von Ba2+ dotierten MgO-Nanopartikeln die einzige Möglichkeit um BaO-spezifische Eigenschaften zu studieren.<br />BaxMg1-xO-Nanopartikel konnten, mittels der Bedampfung von MgO Nanowürfeln mit Ba (0.03 at.% Ba), einerseits, und der gleichzeitigen Verbrennung von Mg- und Ba Dampf im CVD-Prozess5 (2 at.% Ba, 4 at.% Ba und 6 at.% Ba), andererseits, dargestellt werden. Die mittlere Partikelgröße steigt mit ansteigender Ba Konzentration von 5 nm (0.03 at.% Ba) über 7 nm (2 at.% Ba und 4 at.% Ba) auf 35 nm (6 at.% Ba) an, wobei die für MgO charakteristische würfelige Gestalt verloren geht. Bei einer Dotierung mit 10 at.% Zn können bereits Photolumineszenz Emissionsbanden beobachtet werden, die an die Emissionseigenschaften reiner ZnO-Nanopartikel erinnern.6 Jedoch wird die sichtbare Emissionsbande (λEm = 520 nm) bei Zn0.10Mg0.90O-Nanowürfeln nicht wie bei ZnO mit elektronischen Übergängen im Bulk7 des Materials sondern mit Prozessen an der Partikeloberfläche in Zusammenhang gebracht. (1) Spoto, G. et. al. Progress in Surface Science 2004, 76, 71.<br /> (2) Stankic, S. et. al. Angewandte Chemie-International Edition 2005, 44, 4917.<br /> (3) Stankic, S. et. al. Journal of Physical Chemistry B 2006, 110, 13866.<br /> (4) Stankic, S. et. al. Journal of Physical Chemistry C 2007, 111, 8069.<br /> (5) Knozinger, E. et. al. Journal of Molecular Catalysis a-Chemical 2000, 162, 83.<br />(6) Zhou, J. G. et. al. Journal of Luminescence 2006, 119, 248.<br /> (7) van Dijken, A. et. al. Journal of Luminescence 2000, 90, 123.<br />