[논문 리뷰] Defect mediated changes in structural, optical and photoluminescence properties of Ni substituted CeO2

Saurabh Tiwari, Gyanendra Rathore외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 06.

Catalytic Processes in Materials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 용액-젤 방법으로 합성한 니켈 도핑된 CeO2 나노입자를 대상으로 하여, Ni 치환으로 인해 산소 공여자가 생성되고 Ce³⁺ 이온이 형성됨을 규명하였으며, 이로 인해 금역대가 감소하고 격자 불규칙성이 증가하고 광발광이 억제됨을 확인하였다. 이는 결함 매개 비방사 재결합에 기인한다. 주요 발견은 Ni 도핑을 통한 결함 공학이 구조적, 광학적, 발광 성질을 크게 변화시킴을 시사하며, 산화물 반도체 응용에 중요한 함의를 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ni 치환이 CeO2 나노입자의 구조적 및 광학적 성질에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 특히 산소 공여자와 Ce³⁺ 이온이 전자적 및 광학적 거동을 어떻게 수정하는지 결함의 역할을 조사하는 것.
• Ni 도핑 농도에 따른 격자 응력, 격자립 크기 및 금역대 변화를 상관관계화하는 것.
• 결함 특성 분석을 통해 Ni 도핑된 CeO2에서 광발광 억제 메커니즘을 분석하는 것.
• 향후 옵티오일렉트로닉 응용을 위한 Ni 도핑된 세리아의 구조-성질 상관관계를 수립하는 것.

제안 방법

• 다양한 Ni 농도(x = 0에서 0.15까지)를 가진 Ce1-xNixO2 나노입자를 제조하기 위해 용액-젤 합성을 사용하였다.
• X선 회절(XRD)을 이용하여 결정 구조, 격자 상수, 격자립 크기 및 격자 응력을 분석하였다.
• 자외선-가시광선 분광법을 사용하여 광학적 금역대를 결정하고 격자 내 질서를 평가하였다.
• 광발광(PL) 분광법을 통해 결함 상태와 관련된 발광 피크를 식별하고 억제 효과를 정량화하였다.
• 라만 분광법을 적용하여 산소 공여자 관련 결함을 탐지하고 격자 불규칙성을 평가하였다.
• X선 흡수 분광법(XAS) 또는 국소 구조 분석을 통해 Ce⁴⁺에서 Ce³⁺로의 환원과 Ni의 격자 내 침입을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ni 도핑이 CeO2의 결정 구조와 격자 상수에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ2 Ni 치환이 CeO2의 광학적 금역대와 격자 불규칙성에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 Ni 도핑된 CeO2에서 산소 공여자와 Ce³⁺ 이온은 어떻게 형성되며, 이들이 결함 매개 광학적 성질에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 광발광 강도는 Ni 도핑 농도가 증가함에 따라 감소하는가? 그리고 어떤 결함 상태가 원인인가?
• RQ5 Ni:CeO2에서 구조적 및 전자적 변화는 광학적 및 발광 반응과 얼마나 상관관계가 있는가?

주요 결과

• Ni 도핑 농도가 증가함에 따라 격자 상수가 감소한 것으로 관측되었으며, 이는 Ni²⁺ 이온의 이온 반지름이 Ce⁴⁺보다 작기 때문으로 기인되었다.
• Ni 치환에 의해 CeO2의 광학적 금역대가 감소하였으며, 이는 결함 상태에 의해 유도된 가시광선 흡수 증가를 나타낸다.
• 라만 분광법을 통해 높은 Ni 도핑 수준에서 산소 공여자 관련 결함의 증가가 확인되었다.
• 광발광 스펙트럼 분석 결과, 다양한 결함 상태와 관련된 다섯 개의 고유한 발광 피크가 확인되었으며, Ni 농도가 증가함에 따라 강도가 감소하였다.
• 광발광 억제 현상은 산소 공여자에 의해 형성된 비방사 재결합 중심에 기인한다.
• Ni 도핑에 따라 Ce⁴⁺에서 Ce³⁺로의 환원 정도가 증가하였으며, 이는 혼합가환 상태의 형성과 함께 결함 농도의 증가를 확인하는 데 기여하였다.