ГИДРОТЕРМАЛЬНОЕ ОСАЖДЕНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ ОКСИДА ЦИНКА НА КРЕМНИЕВЫЕ ПОДЛОЖКИ

Results of hydrothermal deposition of undoped and Al doped ZnO nanocrystals on a single-crystal silicon wafers with a hydrogen passivated surface are presented. Hydrothermal deposition of undoped ZnO nanocrystals were carried-out in a equimolar solutions containing zinc nitride Zn(NO3)2 and hexamethylenetetramine C6H12N4. Aluminum nitride Al(NO3)3 were used as Al precursor during deposition of Al doped ZnO nanocrystals. The difference of the morphology of doped and undoped ZnO nanocrystals was shown. Photoluminescence properties of the doped and undoped ZnO nanocrystals were also studied.Представлены результаты гидротермального осаждения нелегированных и легированных алюминием нанокристаллов оксида цинка на монокристаллические кремниевые подложки, поверхность которых была пассивирована водородом. Процесс гидротермального осаждения оксида цинка проводился в эквимолярных растворах нитрата цинка и гексаметилентетрамина. Нитрат алюминия был использован в качестве источника ионов алюминия для осаждения легированных кристаллов оксида цинка. В работе показано различие в морфологии нелегированных и легированных кристаллов оксида цинка. Исследованы спектры фотолюминесценции нелегированных и легированных алюминием кристаллов оксида цинка

Chemical vapor deposition of 2D crystallized g‑C3N4 layered films

We have developed a technology and for the first time, present here, the fabrication of continuous two-dimensionally crystallized g-C3N4 layered thin films oriented in a hexagonal lattice c-plane on glass and monocrystalline silicon substrates using chemical vapor deposition from a melamine source. Scanning electron microscopy and X-ray diffraction studies revealed that such films with a smooth surface and good crystalline quality as thick as up to 1.2 μm can be formed at a synthesis temperature of 550–625 °C. They are transparent in the visible range and demonstrate intense photoluminescence (PL) at room temperature. It was found that the band gap of the obtained material and its PL spectral range are shifting to the lower energies at high synthesis temperatures. Oriented g-C3N4 layered thin films deposited on flat solid substrates are promising for integrated electronics and optoelectronics

Electrochemical and hydrothermal deposition of ZnO on silicon: from continuous films to nanocrystals

This article presents the study of the electrochemical deposition of zinc oxide from the non-aqueous solution based on dimethyl sulfoxide and zinc chloride into the porous silicon matrix. The features of the deposition process depending on the thickness of the porous silicon layer are presented. It is shown that after deposition process the porous silicon matrix is filled with zinc oxide nanocrystals with a diameter of 10–50 nm. The electrochemically deposited zinc oxide layers on top of porous silicon are shown to have a crystalline structure. It is also shown that zinc oxide crystals formed by hydrothermal method on the surface of electrochemically deposited zinc oxide film demonstrate ultra-violet luminescence. The effect of the porous silicon layer thickness on the morphology of the zinc oxide is shown. The structures obtained demonstrated two luminescence bands peaking at the 375 and 600 nm wavelengths. Possible applications of ZnO nanostructures, porous and continuous polycrystalline ZnO films such as gas sensors, light-emitting diodes, photovoltaic devices, and nanopiezo energy generators are considered. Aspects of integration with conventional silicon technology are also discussed

Estimation of the integral toxicity of photocatalysts based on graphitic carbon nitride in a luminescent test

A ternary heterosystem consisting of crystalline graphitic carbon nitride, zinc oxide, and zinc sulfide (g-C3N4/ZnO/ZnS) was obtained by the one-stage decomposition of a mixture of thiourea and zinc acetate. The integral toxicity index of the resulting material was estimated in a luminescent test with a genetically modified Escherichia coli strain as a test object. The effect of quenching the luminescence of E. coli was noted both under exposure to UV radiation due to photocatalytic reactions on the surface of g-C3N4/ZnO/ZnS leading to the formation of highly oxidative radical ions interacting with cell membranes and without irradiation due to mechanical interactions with bacterial cells. At a 0.3 g/L concentration of g-C3N4/ZnO/ZnS in aqueous solution, the toxicity index T reached 75.6% under UV irradiation. In this case, an increase in the toxicity index T of the ternary heterosystem in a test concentration range from 0.1 to 0.3 g/L was 6 or 10–11% under UV radiation or without illumination, respectively, as compared with that of the pure graphite-like carbon nitride obtained under identical conditions

Резисторная модель слоистых пленочных структур

Electric properties of film structures consisting of two-dimensional layers, composed by nanocrystalline grains of a semiconductor are proposed to be modeled with an equivalent scheme, in which resistors indicate electrical resistance of current channels in metallic contacts, grain material, potential barriers between grains and layers. Numerical simulation within the model has shown that there is a nonuniform current distribution over the area of the contacts. Current density at their edges can be 3–6 times higher than in the center. Local currents and their distribution in the film bulk are determined by the grain structure of the film, number of the layers, electronic properties of the barriers between grains and layers. Предлагается электрические свойства пленочных структур, состоящих из двумерных слоев, образованных нанокристаллическими зернами полупроводника, моделировать эквивалентной схемой. В данной схеме соединенные определенным образом резисторы показывают сопротивление токопроводящих каналов в металлических контактах к ним, материала зерен, межзеренных и межслоевых потенциальных барьеров. Численным моделированием установлено, что распределение тока по площади контактов существенно неоднородно. Плотность тока на периферии контактов может в 3–6 раз превышать этот показатель в их центре. Величины же локальных токов и их распределение по объему слоистых пленок зависят от их зернистости, количества слоев и электронных свойств потенциальных барьеров между зернами и слоями.

ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСАЖДЕННОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ЛЕГИРОВАННОГО НИКЕЛЕМ ОКСИДА ЦИНКА

This paper is targeted at studying the patterns of deposition by electrochemical method of Ni-doped ZnO films, including registering and analyzing their photoluminescence and Raman scattering spectra. We have studied the electrochemical deposition of nickel-doped zinc oxide films on single-crystal silicon substrates from aqueous solutions of zinc and nickel nitrates. The deposition was conducted from aqua solutions of Zn and Ni nitrates in a standard double-electrode electrochemical cell in galvanostatic mode with the current density from 5 to 20 mA/cm2 and deposition time from 5 to 30 min. The Raman scattering on nickel-doped zinc oxide films was examined via laser Raman spectrometer SOL Instruments Confotec NR500. The analysis of Raman spectra showed that an increase of cathodic current density deposition leads to an enhanced concentration of a doping agent in the films. Photoluminescence spectra of the samples were registered on a laser spectral measuring system based on monochromator-spectrograph SOLAR TII MS 7504i where a monochromatic line with the 345-nm wavelength, which was extracted from the spectrum of Xe-lamp by means of double monochromator Solar TII DM160, was used as the excitation source. The research demonstrates that the emmission intensity increases with the thickness of the deposited film, and the position of maximums of the radiation line remains unchanged in a visible wavelength range and on photoluminescence spectra with fixed current density. The change in the density of the cathode current leads to a shift in the position of the photoluminescence spectra maximum, which indicates restructuring of defects and dopant atoms in the doped semiconductor, which in turn changes the position of the corresponding levels in the band gap of the material.Цель работы заключалась в исследовании закономерностей формирования электрохимическим методом пленок оксида цинка, легированных никелем, а также регистрации и исследовании спектров фотолюминисценции и рамановского рассеяния. Осаждение пленок оксида цинка, легированных никелем, проводилось методом электрохимического осаждения на подложки кремния марки ЭКЭС-0,01 (111). Осаждение проводилось из водных растворов нитратов цинка и никеля в гальваностатическом режиме в диапазоне плотностей тока от 5 до 20 мА/см2 и времени осаждения от 5 до 30 мин. На лазерном Рамановском спектрометре SOL Instruments Confotec NR500 проведено исследование рамановского рассеяния на пленках легированного никелем оксида цинка. Анализ рамановских спектров показал, что увеличение катодной плотности тока осаждения приводит к возрастанию концентрации примеси в пленках. Регистрация спектров фотолюминесценции образцов проводилась на лазерном спектральном измерительном комплексе на основе монохроматора-спектрографа SOLAR TII MS 7504i, где в качестве источника возбуждающего излучения использовалась монохроматическая линия с длиной волны 345 нм, выделенная из спектра ксеноновой лампы при помощи двойного монохроматора Solar TII DM160. Исследование показало, что интенсивность излучения растет с увеличением толщины осажденной пленки, а положение максимумов полосы излучения, в видимом диапазоне длин волн, на спектрах фотолюминесценции, остается неизменным при заданной плотности тока, независимо от продолжительности процесса осаждения. Изменение величины плотности катодного тока приводит к сдвигу положения максимума спектра фотолюминесценции, что указывает на перестройку структуры дефектов и примесей в легированном полупроводнике, приводящую к изменению положения соответствующих уровней в запрещенной зоне материала

Structural and phase transformations in the thiourea/zinc acetate system

Using differential thermal analysis and thermogravimetry, we have studied thermal decomposition of a mechanical mixture of thiourea and zinc acetate, resulting in the formation of a composite material consisting of graphitic carbon nitride and zinc acetate, g-C3N4/ZnS, and possibly containing zinc oxide (ZnO) inclusions. In the case of a mixture containing the stoichiometric sulfur:zinc ratio for zinc sulfide synthesis, one can obtain a material containing only ZnS semiconductor crystals embedded in a g-C3N4 matrix. ZnS is formed in the temperature range 317–367 °C as a result of decomposition of zinc complexes with thiourea. Heating the mixture to above 560 °C increases the rate of the thermal decomposition of g-C3N4, which reaches completion between 720 and 740 °C. The presence of oxygen in the reaction atmosphere also accelerates this process, without significantly changing the temperature range of synthesis or decomposition of reaction products. The proposed technique can be used for the synthesis of g-C3N4-based composite materials and other semiconducting metal sulfides

Формирование и свойства композитных гетеросистем на основе макропористого кремния, графитоподобного нитрида углерода и полупроводниковых соединений

The possibility of pyrolytic synthesis of composite heterosystems based on macroporous silicon, graphitic carbon nitride and wide band semiconductors zinc oxide and zinc sulfide (g-C3N4/ZnO/ZnS) from a mechanical mixture of thiourea and zinc acetate at 500 – 600 °C was shown. The obtained material study by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy showed a uniform filling of macroporous silicon with the composite g-C3N4/ZnO/ZnS with the formation of a continuous composite film on the surface. The photoluminescence of the samples was controlled by the synthesis temperature. Increase of photoluminescence leads to shift of luminescence maximum in high energy range from 544 to 516 nm. It was found that photocatalytic activity of composite heterosystems obtained at a lower temperature is higher due to more developed surface morphology and smaller bandgap width. The materials obtained can be used to create photocatalytic coatings and functional layers of optoelectronic devices.Показана возможность пиролитического синтеза композитных гетеросистем на основе макропористого кремния, графитоподобного нитрида углерода и широкозонных полупроводников оксида и сульфида цинка (g-C3N4/ZnO/ZnS) из механической смеси тиомочевины и ацетата цинка при температуре 500 – 600 °C. Исследование полученных материалов методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показало равномерное заполнение макропористого кремния композитом g-C3N4/ZnO/ZnS с образованием сплошной композитной пленки на поверхности. Фотолюминесценция образцов контролируется температурой синтеза. Ее увеличение приводит к сдвигу максимума свечения в диапазон больших энергий с 544 на 516 нм. Установлено, что фотокаталитическая активность композитных гетеросистем, полученных при меньшей температуре, выше, что обусловлено более развитой морфологией поверхности и меньшей шириной запрещенной зоны. Полученные материалы могут быть использованы для создания фотокаталитических покрытий и функциональных слоев оптоэлектронных приборов

Синтез и свойства композитных материалов на основе наночастиц оксида цинка в диэлектрической матрице

A composite material based on zinc oxide nanoparticles synthesized by the chemical hydrothermal method and a polymer insulated matrix of sodium silicate was obtained. Free zinc oxide nanoparticles were formed by heating an equimolar solution of zinc nitrate and hexamethylenetetramine with different pH values (3–5). Nanoparticles were introduced into an aqueous sodium silicate solution and applied on a silicon substrate by centrifugation. Using scanning electron microscopy, we studied the structure and morphology of zinc oxide nanoparticles on a silicon substrate in unbound state and after their introduction into the sodium silicate matrix. It was found that the obtained particles have a hexagonal crystal lattice and a bimodal size distribution. After introduction in the matrix of sodium silicate, only smaller zinc oxide nanoparticles with an average diameter of 45 nm remain in it. Studying of the photoluminesclence spectra of a composite material, including zinc oxide nanoparticles obtained at different pH values of the initial solution, showed the presence of exciton and defectrelated photoluminescence bands with intensity’s maximums located at 383 and 590 nm, respectively. Zinc oxide nanoparticles in the stabilizing matrix of sodium silicate exhibit a higher relative intensity of exciton photoluminescence than unbound particles. The highest value of the relative intensity of exciton photoluminescence was achieved for a composite material including zinc oxide nanoparticles synthesized at pH=3,35 of the initial solution. The resulting composite materials can be used in optoelectronic and photovoltaic devices, and as an optical medium of non-cavity lasers.Получен композитный материал на основе наночастиц оксида цинка, синтезированных химическим гидротермальным методом, и полимерной диэлектрической матрицы силиката натрия. Свободные наночастицы оксида цинка были сформированы при нагреве эквимолярного раствора нитрата цинка и гексаметилентетрамина с различными значениями показателя pH (от 3 до 5). Наночастицы были введены в водный раствор силиката натрия и послойно нанесены на кремниевую подложку путем центрифугирования. Методом растровой электронной микроскопии исследована структура и морфология как свободных наночастиц оксида цинка на кремниевой подложке, так и после внесения их в матрицу силиката натрия. Установлено, что полученные частицы обладают гексагональной кристаллической решеткой и имеют бимодальное распределение по размерам. После внесения в матрицу силиката натрия в ней остаются только небольшие наночастицы оксида цинка со средним диаметром 45 нм. Исследование спектров фотолюминесценции композитного материала, включающего наночастицы оксида цинка, полученные при различных значения pH исходного раствора, показало наличие экситонной и примесной полос фотолюминесценции с максимумами интенсивности, расположенными на длинах волн 383 и 590 нм соответственно. Наночастицы оксида цинка, находящиеся в стабилизирующей матрице силиката натрия, демонстрируют более высокую относительную интенсивность экситонной фотолюминесценции, чем свободные частицы. Наибольшая величина относительной интенсивности экситонной фотолюминесценции достигнута у композитного материала, включающего наночастицы, синтезированные при рН исходного раствора 3,35. Полученные композитные материалы могут найти применение в оптоэлектронных и фотовольтаических приборах, а также в качестве оптической среды безрезонаторных лазеров