[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过溶胶-凝胶法合成镍掺杂的CeO2纳米颗粒，发现镍取代诱导形成氧空位和Ce³⁺，导致带隙减小、晶格无序度增加，并因缺陷介导的非辐射复合而淬灭光致发光。关键发现是通过镍掺杂进行缺陷工程可显著改变材料的结构、光学和发光性能，对氧化物半导体应用具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 理解镍取代对CeO2纳米颗粒结构和光学性能的影响。
• 研究缺陷（特别是氧空位和Ce³⁺）在调控CeO2电子和光学行为中的作用。
• 将晶格应变、晶粒尺寸和带隙的变化与镍掺杂浓度相关联。
• 通过缺陷表征分析镍掺杂CeO2中光致发光淬灭的机制。
• 建立镍掺杂二氧化铈的结构-性能关系，以期应用于潜在的光电器件。

提出的方法

• 采用溶胶-凝胶法合成不同镍浓度（x = 0 至 0.15）的Ce1-xNixO2纳米颗粒。
• 利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构、晶格参数、晶粒尺寸和晶格应变。
• 采用紫外-可见光谱法测定光学带隙并评估晶格中的无序程度。
• 利用光致发光（PL）光谱识别与缺陷态相关的发射峰，并量化淬灭效应。
• 应用拉曼光谱检测与氧空位相关的缺陷并评估晶格无序程度。
• 采用X射线吸收谱（XAS）或局部结构分析确认Ce⁴⁺向Ce³⁺的还原以及镍在晶格中的固溶。

实验结果

研究问题

• RQ1 镍掺杂如何影响CeO2的晶体结构和晶格参数？
• RQ2 镍取代对CeO2的光学带隙和晶格无序程度有何影响？
• RQ3 在镍掺杂CeO2中，氧空位和Ce³⁺离子如何形成，其在缺陷介导的光学性能中起何作用？
• RQ4 随着镍掺杂量增加，光致发光强度为何下降，哪些缺陷态是主要原因？
• RQ5 结构与电子结构的变化在多大程度上与Ni:CeO2的光学和发光响应相关？

主要发现

• 随着镍掺杂量增加，观察到晶格参数减小，归因于Ni²⁺的离子半径小于Ce⁴⁺。
• CeO2的光学带隙随镍取代而减小，表明缺陷态导致可见光吸收增强。
• 拉曼光谱证实，随着镍掺杂量增加，与氧空位相关的缺陷数量增加。
• 光致发光光谱显示五个与不同缺陷态相关的特征发射峰，且随镍含量增加而强度降低。
• 光致发光淬灭归因于缺陷（特别是氧空位）形成的非辐射复合中心。
• 随着镍掺杂量增加，Ce⁴⁺向Ce³⁺的还原程度提高，证实了混合价态的形成及缺陷浓度的增加。