[論文レビュー] Growth and Optical Properties Investigation of Pure and Al-doped SnO2 Nanostructures by Sol-Gel Method

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

Gas Sensing Nanomaterials and Sensors参考文献 16被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、純粋およびアルミニウムドーピングされたSnO2ナノ粒子のソルゲル法を用いた合成を調査し、Alドーピング割合を増加させることで結晶子サイズが減少し、光学的バンドギャップが拡大することを示した。XRD、SEM、UV-Vis、FT-IR、EDX分析により、構造的安定性、粒子サイズの低減、光学的特性の向上が確認された。EDXおよびバンドギャップの拡大（25%ドーピング時で最大3.75 eV）により、AlがSnO2格子内に取り込まれていることが裏付けられた。

ABSTRACT

SnO2 nanoparticles with different percentage of Al (5%, 15%, and25%) were synthesized by sol-gel method. The structure and nature of nanoparticles are determined by of X-ray diffraction analysis. Also morphology of the samples is evaluated by SEM. Moreover, the optical properties of the samples are investigated with UV-Visible and FT-IR. The XRD patterns are indicated that all samples and incorporation aluminum ions into the SnO2 lattice have tetragonal rutile structure. The crystalline size of nanoparticles is decreased with increasing the Al percentage. The SEM results confirmed that the size of nanoparticles decreases with increasing the Al percentage. Also, FT-IR and UV-Visible results showed that the optical band gap of nanoparticles increases with the increasing the Al percentage. Finally, we have used the EDX analysis to study the chemical composition of the products. Pure tin and oxygen have been observed. The doped samples showed the existence of Al atoms in the samples of the crystal structure of SnO2.

研究の動機と目的

• 純粋およびAlドーピングされたSnO2ナノ粒子をソルゲル法で合成し、光学エレクトロニクス特性を向上させること。
• 5%、15%、25%のAlドーピング濃度が引き起こす構造的および形態的変化を調査すること。
• UV-Vis分光法を用いて、Al含有量の増加に伴う光学的バンドギャップの変化を分析すること。
• EDXおよびFT-IR分光法を用いて、AlがSnO2格子内に取り込まれているかどうかを確認すること。
• XRDおよびSEMデータを用いて、Alドーピング量と結晶子サイズの低減の相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 5%、15%、25%のAlドーピングを施したSnO2ナノ粒子の調製に、ソルゲル法が用いられた。
• X線回折（XRD）を用いて結晶構造を分析し、シュレル方程式を用いて結晶子サイズを計算した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて粒子の形態および粒子径分布を観察した。
• UV-Vis分光法を用いて、吸光度データのタウクプロット分析により光学的バンドギャップを測定した。
• FT-IR分光法を用いて官能基を同定し、Sn-OおよびAl-O結合の存在を確認した。
• エネルギー分散型X線（EDX）分析により、ドーピングされたSnO2格子内にAlが存在することを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Alドーピング濃度は、ソルゲル法で合成されたSnO2ナノ粒子の結晶子サイズにどのように影響するか？
• RQ2 UV-Vis分光法で測定した場合、AlドーピングはSnO2の光学的バンドギャップにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 AlはSnO2結晶格子内に正常に取り込まれており、その確認はどのように行われたか？
• RQ4 Alドーピングは、SnO2ナノ粒子の形態および粒子径にどのように影響するか？
• RQ5 5%、15%、25%のAlドーピング濃度でドーピングされたSnO2に、構造的および光学的変化は生じるか？

主な発見

• すべての試料は、XRDパターンにより確認されたテトラゴナルルチル構造を示し、二次相は検出されなかった。
• シュレル方程式による計算結果から、純粋なSnO2では約20 nmであった結晶子サイズが、25%Alドーピング時には約10 nmにまで低下した。
• SEM画像から、Al含有量の増加に伴い粒子径が一貫して低減していることが確認され、XRDの結果と一致した。
• 光学的バンドギャップは、純粋なSnO2では約3.4 eVから25%Alドーピング時で約3.75 eVにまで上昇し、光学的透明性の向上および光エレクトロニクス応用への可能性が示された。
• FT-IRスペクトルからSn-OおよびAl-Oの振動が確認され、ドーピングの成功および安定した酸化物結合が裏付けられた。
• EDX分析により、ドーピング試料にAlが存在していることが確認され、原子百分率が意図したドーピングレベルと一致した。