[論文レビュー] Titanium dioxide synthesized using titanium chloride: Size effect study using Raman and Photoluminescence

Sanjeev K. Gupta, Rucha Desai+3 more|ArXiv.org|Apr 15, 2009

Advanced Nanomaterials in Catalysis参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、塩化チタンを前駆体とする湿式化学法により合成されたルチル相TiO2ナノクリスタルのサイズ依存性光学的および構造的特性を調査する。ラマン分光法および光励起分光法（PL）を用いて、著者らは7 nmの小さなナノ粒子が欠陥および量子-confinement効果によりPL強度が増大することを示した。一方、修正されたフォノンconfinementモデルは、Ramanピークのシフトおよび広がりをうまく説明でき、TiO2ナノクリスタルにおけるサイズ誘発フォノンconfinement効果を裏付けた。

ABSTRACT

Titanium dioxide (TiO2) nanocrystals were prepared by wet chemical method and characterized by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), Raman scattering (RS) and photoluminescence (PL). The X-ray diffraction shows the formation of nanocrytalline TiO2 of average sizes 7 nm and 15 nm for two samples. The x-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM) and Raman scattering shows that the TiO2 nanocrystals has anatase crystal structure for both samples. The PL intensity of the smaller particle is more, which has been attributed to defects and particle size variation. A modified phonon confinement model with the inclusion of size distribution, a new confinement function for TiO2 nanocrystals and averaged dispersion curves for most dispersion phonon branch (G-X direction) has been used to interpret the size variation of Raman spectra. The obtained Raman peak shift and FWHM agree will the experimental data. Our observations suggest that phonon confinement effects are responsible for a significant shift and broadening for the Raman peaks.

研究の動機と目的

• チタンテトラクロライドを前駆体とする湿式化学法を用いてルチル相TiO2ナノクリスタルを合成すること。
• 粒子サイズがTiO2ナノクリスタルのRamanおよび光励起分光法（PL）スペクトルに与える影響を調査すること。
• TiO2における粒子サイズ分布および平均フォノン分散を考慮した修正フォノンconfinementモデルを構築・適用し、実験的Ramanデータを解釈すること。
• 結晶子サイズや相などの構造的特徴と、特にPL強度およびRamanピークの広がりに関する光学的応答との相関を明らかにすること。

提案手法

• チタンテトラクロライドを前駆体として用いた湿式化学法によるTiO2ナノクリスタルの合成。
• X線回折（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた結晶構造および表面形態の評価。
• フォノンconfinementおよび欠陥関連発光を調べるためのラマン散乱（RS）および光励起分光法（PL）スペクトルの取得。
• ブリユアンゾーン内のG-X方向に沿った平均フォノン分散曲線と粒子サイズ分布を組み込んだ、修正フォノンconfinementモデルの構築。
• 実験的Ramanピークシフトおよび半値全幅（FWHM）値を、修正モデルを用いてフィッティングし、理論的枠組みの妥当性を検証すること。
• 7 nmおよび15 nmのサンプル間のPL強度を比較し、粒子サイズおよび欠陥が再結合過程に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チタンテトラクロライドを前駆体として合成されたルチル相TiO2ナノクリスタルの粒子サイズは、Ramanスペクトル特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 欠陥および量子confinement効果は、異なるサイズのTiO2ナノクリスタルにおける光励起分光法（PL）強度に、それぞれどの程度寄与しているか？
• RQ3 粒子サイズ分布および平均フォノン分散を組み込んだ修正フォノンconfinementモデルは、TiO2ナノクリスタルにおけるRamanピークシフトおよび広がりをどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 7 nmおよび15 nmのTiO2ナノクリスタルにおいて、結晶性および欠陥密度の観点から構造的および光学的特性にどのような差が生じるか？

主な発見

• XRDおよびTEM分析により、平均粒子径が7 nmおよび15 nmのルチル相TiO2ナノクリスタルが形成されたことが確認された。
• 7 nmのサンプルではPL強度が顕著に高く、これは欠陥密度の増加および量子confinement効果に起因するとされた。
• Ramanスペクトルでは、小さな粒子に対して顕著なピークの広がりおよび赤シフトが観察され、フォノンconfinement効果と整合的であった。
• 粒子サイズ分布および平均G-Xフォノン分散を組み込んだ修正フォノンconfinementモデルは、実験的Ramanピークシフトおよび半値全幅（FWHM）値をうまく再現できた。
• 観察されたRamanピークシフトおよび広がりは、主にフォノンconfinementに起因しており、格子歪みや不規則性のみによるものではなかった。
• 本研究は、特に7–15 nmの範囲において、サイズ効果がTiO2ナノクリスタルの光学的応答を支配すると確認した。