[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究探讨了在室温下通过溶胶-凝胶法合成SnO2纳米颗粒时，溶胶浓度（0.1–0.5 M）对结构和光学性能的影响。结果表明，降低溶胶浓度可减小颗粒尺寸（从74.8 nm降至11.7 nm），并增大带隙（从4.07 eV增至4.36 eV），由于量子限域效应，吸收边发生蓝移。

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.

研究动机与目标

• 研究溶胶浓度对SnO2纳米颗粒结构和光学性能的影响。
• 理解前驱体浓度变化如何影响溶胶-凝胶法合成SnO2中晶粒尺寸和形貌。
• 将颗粒尺寸变化与光学带隙变化及吸收边位移相关联。
• 优化溶胶浓度，以获得所需光学和结构特性的SnO2纳米颗粒。

提出的方法

• 在室温下，通过改变SnO2前驱体浓度（0.1、0.3和0.5 mol/L）采用溶胶-凝胶法合成SnO2纳米颗粒。
• 采用X射线衍射（XRD）分析确定晶体相及晶粒尺寸，使用谢乐方程计算。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌和颗粒尺寸分布。
• 采用紫外-可见光谱法测量光学带隙并分析吸收边位移。
• 利用Tauc关系式（适用于间接带隙半导体）绘制Tauc图，计算带隙能量。
• 分析晶粒尺寸与颗粒尺寸随溶胶浓度变化的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 溶胶浓度如何影响溶胶-凝胶法合成SnO2纳米颗粒的晶粒尺寸？
• RQ2 溶胶浓度与SnO2纳米颗粒光学带隙之间存在何种关系？
• RQ3 溶胶浓度如何影响SnO2纳米颗粒紫外-可见光谱中吸收边的位置？
• RQ4 由于溶胶浓度降低导致颗粒尺寸减小，其在SnO2中诱导的量子限域效应有多大程度？
• RQ5 溶胶浓度对SnO2纳米颗粒的表面形貌和结晶度有何影响？

主要发现

• 晶粒尺寸从0.1 M时的11.7 nm增加到0.5 M时的74.8 nm，表明前驱体浓度越高，晶粒越大。
• 平均颗粒尺寸随溶胶浓度降低而减小，从0.5 M时的74.8 nm降至0.1 M时的11.7 nm。
• 光学带隙从0.1 M时的4.07 eV增至0.5 M时的4.36 eV，表明吸收边发生蓝移。
• 随着溶胶浓度降低，吸收边向较短波长移动，与小颗粒中量子限域效应一致。
• XRD图谱证实所有浓度下SnO2均为四方晶系结构，未检测到其他相。
• SEM分析显示表面形貌和颗粒团聚行为发生变化，低溶胶浓度下观察到更细小的颗粒。