[論文レビュー] Effects of Sol concentration on the structural and optical properties of SnO2 Nanoparticle

Ali Reza Razeghizadeh, Lila Zalaghi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2015

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、室温におけるsol-gel法を用いて合成されたSnO2ナノ粒子の構造的および光学的特性に及ぼすsol濃度（0.1–0.5 M）の影響を調査した。結果として、sol濃度を低下させることで粒子径が減少（74.8 nmから11.7 nm）し、バンドギャップが増加（4.07 eVから4.36 eV）することが示された。量子効果によるブルーシフトが観察された。

ABSTRACT

In this paper, the effects of changes in Sol concentration on the structural and optical properties of SnO2 Nanoparticles are studied through the Sol-Gel method. SnO2 Nanoparticles are produced from different SnO2 solution concentrations (0.1, 0.3 and 0.5 mol/L) at room temperature. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analysis is used to investigate the effects of changes in Sol concentration on the crystalline and surface morphology of Nanoparticles. The XRD pattern shows that the particles are in the standard tetragonal phase of SnO2. The crystallites size are 11.7nm, 18.8nm, and 74.8nm, for 0.1 M, 0.3M and 0.5 M of concentration respectively. The average size of SnO2 particles decreases by a reduction in the Sol concentration. The band gap value is 4.07ev, 4.28ev and 4.36ev for 0.1M, 0.3M and 0.5M of concentration respectively. The UV-visible analysis shows that decreasing the Sol concentration will cause the absorption edge shift to the shorter wavelengths, because decreasing the Sol concentration will reduce the Nanoparticles size, and smaller Nanoparticles size absorb shorter wavelengths better and also increase the band gap.

研究の動機と目的

• sol濃度がSnO2ナノ粒子の構造的および光学的特性に与える影響を調査すること。
• 前駆体濃度の変化がsol-gel法で合成されたSnO2における結晶子サイズおよび形態に与える影響を理解すること。
• 粒子径の変化と光学的バンドギャップの変動および吸収端シフトとの相関関係を特定すること。
• SnO2ナノ粒子の望ましい光学的および構造的特性を実現するためのsol濃度の最適化すること。

提案手法

• 室温下でのsol-gel法を用い、SnO2前駆体濃度を変化させた（0.1、0.3、および0.5 mol/L）。
• シュレッダー式を用いて結晶子サイズを求めるX線回折（XRD）分析により結晶相および結晶子サイズを特定。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて表面形態および粒子径分布を観察。
• 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、吸収端のシフトを分析。
• 間接バンドギャップ半導体のためのTauc関係を用い、Taucプロットからバンドギャップエネルギーを計算。
• sol濃度に応じた結晶子サイズおよび粒子径の傾向を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sol濃度は、sol-gel法で合成されたSnO2ナノ粒子の結晶子サイズにどのように影響するか？
• RQ2 sol濃度とSnO2ナノ粒子の光学的バンドギャップの関係は何か？
• RQ3 sol濃度は、SnO2ナノ粒子のUV-Visスペクトルにおける吸収端の位置にどのように影響するか？
• RQ4 低濃度による粒子径の減少が、SnO2に量子効果を誘発する程度はどの程度か？
• RQ5 sol濃度は、SnO2ナノ粒子の表面形態および結晶性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 結晶子サイズは、0.1 Mで11.7 nmから0.5 Mで74.8 nmに増加し、高濃度の前駆体でより大きな結晶子が形成された。
• 平均粒子径はsol濃度の低下に伴い減少し、0.5 Mで74.8 nmから0.1 Mで11.7 nmに低下した。
• 光学的バンドギャップは0.1 Mで4.07 eVから0.5 Mで4.36 eVに増加し、吸収端のブルーシフトを示した。
• sol濃度が低下するにつれて吸収端が短波長側にシフトし、より小さなナノ粒子における量子効果と整合的であった。
• XRDパターンから、全濃度範囲でSnO2のテトラゴナル相が確認され、二次相の検出はなかった。
• SEM分析から、表面形態および粒子凝集の変化が観察され、低濃度のsolでより細かな粒子が確認された。