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.