[論文レビュー] Defect mediated changes in structural, optical and photoluminescence properties of Ni substituted CeO2

Saurabh Tiwari, Gyanendra Rathore+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Catalytic Processes in Materials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ソルゲル法で合成されたニッケルドープ酸化セリウム（Ni-doped CeO2）ナノ粒子を対象とし、ニッケル置換が酸素空孔の生成とCe³⁺の形成を引き起こし、バンドギャップの低下、格子不規則性の増大、および欠陥を介した非放射的再結合による光励起発光の消光をもたらすことを明らかにした。主な発見は、ニッケルドーピングによる欠陥工学が、構造的・光学的・発光的性質を顕著に変化させることであり、酸化物半導体応用への応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

Local and long range structure, optical and photoluminescence properties of sol-gel synthesized Ce1-xNixO2 nanostructures have been studied. The crystal structure, lattice strain and crystallite size have been analyzed. A decrease in lattice parameter may be attributed to substitution of Ce with smaller Ni ion. UV-Vis measurement is used for studying the effect of Ni substitution on bandgap and disorder. The bandgap decreases with Ni substitution and disorder increases. The PL spectra show five major peaks attributed to various defect states. The PL emission decreases with Ni substitution owing to increase in defects which acts as emission quenching centers. The lattice disorder and defects have been studied using Raman spectroscopy. Raman measurement shows that oxygen vacancies related defects are increasing with Ni substitution which causes changes in optical and PL properties. Local structure measurements show that Ni substitution leads to oxygen vacancies which does change host lattice structure notably. Ce4+ to Ce3+ conversion increases with Ni substitution.

研究の動機と目的

• ニッケル置換が酸化セリウムナノ粒子の構造的および光学的性質に与える影響を理解すること。
• 特に酸素空孔とCe³⁺が、酸化セリウムの電子的および光学的挙動をどのように変化させるかを調査すること。
• ニッケルドーピング濃度に伴う格子ひずみ、微粒子サイズ、バンドギャップの変化を相関させること。
• 欠陥特徴化を用いて、ニッケルドーピング酸化セリウムにおける光励起発光の消光機構を分析すること。
• 将来のオプトエレクトロニクス応用を見据えたニッケルドーピング酸化セリウムの構造-物性相関を確立すること。

提案手法

• ニッケル濃度を変化させた（x = 0 から 0.15）Ce1-xNixO2ナノ粒子をソルゲル法で調製した。
• X線回折（XRD）を用いて結晶構造、格子定数、微粒子サイズ、格子ひずみを分析した。
• 紫外可視分光法を用いて光学的バンドギャップを測定し、格子内の不規則性を評価した。
• 光励起発光（PL）分光法を用いて、欠陥状態に関連する発光ピークを同定し、消光効果を定量化した。
• ラマン分光法を用いて酸素空孔に関連する欠陥を検出するとともに、格子不規則性を評価した。
• X線吸収分光法（XAS）または局所構造解析により、Ce⁴⁺からCe³⁺への還元とニッケルの格子内への挿入を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニッケルドーピングは酸化セリウムの結晶構造および格子定数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ニッケル置換は酸化セリウムの光学的バンドギャップおよび格子不規則性にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 ニッケルドーピング酸化セリウムにおいて、酸素空孔とCe³⁺イオンはどのように生成し、欠陥を介した光学的性質にどのような役割を果たすか？
• RQ4 ニッケルドーピング量の増加に伴い光励起発光強度が低下するのはなぜか？また、それに関与する欠陥状態は何か？
• RQ5 構造的および電子的変化が、ニッケルドーピング酸化セリウムにおける光学的および発光的応答とどの程度相関しているか？

主な発見

• ニッケルドーピング量の増加に伴い格子定数が低下したが、これはNi²⁺のイオン半径がCe⁴⁺に比べて小さいことに起因する。
• ニッケル置換に伴い酸化セリウムの光学的バンドギャップが低下し、欠陥状態に起因する可視光吸収の増強が示された。
• ラマン分光法により、ニッケルドーピング量の増加に伴い酸素空孔に関連する欠陥の増加が確認された。
• 光励起発光スペクトルからは、複数の欠陥状態に関連する5つの明確な発光ピークが特定され、ニッケル含有量の増加に伴い強度が低下した。
• 光励起発光の消光は、主に酸素空孔に起因する非放射的再結合中心の形成に起因する。
• ニッケルドーピングに伴い、Ce⁴⁺からCe³⁺への還元が進行し、酸化状態の混合と欠陥濃度の増加が確認された。