Определение размеров полупроводниковых наночастиц сульфида кадмия методом спектроскопии УФ-VIS

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО НИ Иркутский государственный технический университет

Физико-технический институт

Кафедра квантовой физики и нанотехнологий

 

Отчёт по лабораторной работе №1

Определение размеров полупроводниковых наночастиц сульфида кадмия методом спектроскопии УФ-VIS

 

 

по дисциплине

физикохимия наноструктурированных материалов

 

Выполнил:

студенты группы НТ-09-1

Грунский М.А.

 

Приняла:

д.х.н., профессор

Ниндакова Л.О.

 

Иркутск, 2012

 

1. Приборы и оборудование:Спектрофотометр Unico 2800, магнитная мешалка с мешальником, стекло типа К-8 – 4 шт, 8 химических стаканов объемом 100 мл, 6% раствор желатина с добавлением сахарозы и натриевых солей жирных кислот, водные 0.1, 0.2 и 0.4 М растворы солей Cd(N03)2*5H20 и Na2S*9H20 «х.ч.», дистиллированная вода.

2. Теоретическая часть:Сульфид кадмия является удобной модельной системой для изучения полупроводниковых частиц. Кроме того, благодаря наличию большого количества работ, посвященных изучению зависимости положения максимума поглощения света в наночастицах (НЧ) сульфида кадмия от их размера, имеется возможность просто и быстро определить размер полученных НЧ из спектра поглощения, не прибегая к электронной микроскопии или другим трудоемким и дорогостоящим методам.

 

Наночастицы халькогенидов тяжелых металлов обладают уникальными полупроводниковыми свойствами, что позволяет их использовать в качестве так называемых квантовых точек. Синтез наночастиц сульфида кадмия разного размера в нанометровом диапазоне и исследование его свойств дает возможность наблюдать квантовые размерные эффекты, которые проявляются наиболее отчетливо, когда размер частиц составляет менее 10 нм.

Для получения CdS в настоящей лабораторной работе применяется метод послойной хемосорбции ионов. Достоинство метода состоит в том, что, изменяя концентрацию, температуру и другие параметры кристаллизационной среды, можно управлять параметрами растущих наноструктур.

Данный способ получения нанообъектов основан на погружении подложки в отдельные растворы электролитов, содержащие анионную и катионную подрешетки выращиваемых структур, и промежуточной промывки подложки в дистиллированной воде для удаления остатков электролитов.

Зависимость вида оптического спектра полупроводниковых частиц от их размера обусловлена квантовым эффектом. При электронном возбуждении 3

полупроводникового кристалла происходит образование слабосвязанной электрон-дырочной пары, область делокализации которой может во много раз превышать постоянную кристаллической решетки вещества. Уменьшение размеров кристалла до наноуровня приводит к смещению спектра поглощения в коротковолновую область и появлению экситонного пика поглощения.

 

На основе измерения спектральных характеристик в интервале -350-520 нм можно определить ширину запрещенной зоны наночастиц. Для прямых переходов коэффициент поглощения зависит от частоты:

При уменьшении размеров частиц вследствие оптического квантоворазмерного эффекта изменение ширины запрещенной зоны (ΔЕ) по отношению к ширине запрещенной зоны для объемного кристалла связано с радиусом наночастиц соотношением:

 

(1)

 

Где:

ΔЕ = Еg(_нано) – Еg(_{объемного кристалла}) = Еg-3,882*10^-19 Дж; (2)

mе – масса электрона в CdS, mh - масса дырки, ε - диэлектрическая постоянная CdS (9.0) и ε0- диэлектрическая постоянная вакуума -8.854х10-12 Ф/м, h= 6.626х10^-34 Дж.с

 

Для CdS по литературным данным: mе = 0.2 mо, mh = 0.7 mо, где mо – масса покоя электрона - 9,108*10^-31 кг.

 

3. Обработка экспериментальных данных:

А) Раствор 0,1М

Заносим значения светопоглощения и длин волн (в нм) в таблицу:

Раствор 0,1 М
α	0,15	0,77	1,125	1,4	1,45	1,55
λ

 

 

По данным строим график зависимости (ahv)² от hv:

 

 

Из графика находим ширину запрещенной зоны Еg =4,316*10^-19 Дж и, по формуле (2), ΔЕ=4,34*10^-20 Дж.

Из формулы (1) выведем радиус:

(3)

По формуле (3) найдем радиус,

R= нм

Б) Раствор 0.2 М

Заносим значения светопоглощения и длин волн (нм) в таблицу:

Раствор 0,2 М
α	0,375	1,12	1,4	1,5	1,6
λ

 

По данным строим график зависимости (ahv)² от hv:

 

 

Из графика находим ширину запрещенной зоны Еg = 4,516*10^-19 Дж, по формуле (2) вычисляем ΔЕ= 6,34*10^-20 Дж, по формуле (3) определяем

R= нм

 

 

В) Раствор 0.4 М

Заносим значения светопоглощения и длин волн (в нм) в таблицу:

Раствор 0,4 М
α	0,6	1,13	1,4	1,5	1,55
λ

 

По данным строим график зависимости (ahv)² от hv:

 

Из графика находим ширину запрещенной зоны Еg =4.116*10^-19 Дж, по формуле (2) определяем ΔЕ= 2,34*10^-20 Дж, по формуле (3) находим

R= нм

 

По полученным значениям для радиусов при разной концентрации строим график зависимости размера частиц от концентрации электролита:

 

 

 

Г) Суспензия

Заносим значения светопоглощения и длин волн (в нм) в таблицу:

 

Суспензия
α	0,3	0,9	1,5	2,3
λ

 

 

Из графика находим ширину запрещенной зоны Еg =4,9*10^-19 Дж, по формуле (2) определяем ΔЕ= 1,018*10^-19 Дж, по формуле (3) находим

R= 0,241 нм.

 

4. Вывод:По полученным данным можно сделать вывод, что с увеличением концентрации электролитов ширина запрещенной зоны увеличивается (исключение составляет электролит с концентрацией 0,4 М), ΔЕ уменьшается (искл.- 0,2 М), размер частиц снижается

(искл.- 0,4 М). Ошибки, возникшие в результате расчетов, можно связать с неточностями при проведении опыта.