Синтез и исследование оптических характеристик гибридных сферических структур Ti0.91O2 / CdS

Фон

Полупроводниковые композитные наноструктуры привлекают больше внимания из-за оптимальной сборки зоны проводимости и зоны валанса для фотоэлектрических приложений и других оптоэлектронных устройств [1,2,3,4]. Пространственное разделение электрона и дырки в полупроводниковых композитных наноструктурах типа II может привести к увеличению срока службы носителей заряда, которые имеют желаемые оптические характеристики для таких приложений, как источники света [5, 6], лазеры [7,8,9] и фотоэлектрические устройства [10, 11]. За последние несколько лет было опубликовано множество исследований эффекта непрямого оптического перехода (IOT) в композитных наноструктурах типа II. Например, явление IOT было зарегистрировано в ультратонких гибридных сферических наноструктурах, включая оксид графена и TiO ₂ нанолисты [12] или системы связанных квантовых точек [13]. В последние годы TiO ₂ является важным оптическим материалом, который был широко исследован благодаря своим выдающимся оптическим свойствам для использования в фотокатализе и солнечных элементах, но широкая запрещенная зона (3,2 эВ) TiO ₂ ограничивает свои фотокаталитические свойства в УФ-диапазоне. Чтобы широко использовать оптическую активность в области видимого света, поверхность TiO ₂ Нанолисты, покрытые квантовыми точками, были исследованы как превосходная альтернатива сенсибилизированным красителем солнечным элементам [14,15,16,17,18]. Особенно важно, что композитная система TiO ₂ Нанолисты, соединенные с квантовыми точками (КТ) CdS, широко изучались для различных приложений благодаря подходящей ширине запрещенной зоны (2,4 эВ) и превосходным оптическим свойствам [19,20,21]. Сочетая эти особенности, TiO ₂ Гибридные структуры / CdS недавно были выделены как уникальная система [22,23,24,25,26]. Более того, наночастицы CdS, покрытые TiO ₂ нанолисты могут значительно улучшить его оптическую активность. До сих пор разделение экситонов и извлечение носителей заряда являются основным узким местом при достижении высокоэффективных сенсибилизированных материалов солнечных элементов. Однако фундаментальные исследования динамики фотовозбужденных носителей на основе TiO ₂ / Гибридные сферы CdS ограничены. Следовательно, свойства фотолюминесценции (ФЛ) и разрешенные во времени затухания ФЛ композитных наноструктур, состоящих из чередующихся Ti _0,91 О ₂ В данной работе исследуются нанолисты и наночастицы CdS. Новый непрямой оптический переход типа II на основе спектров ФЛ и измерений затухания ФЛ с временным разрешением помогает прояснить новый механизм излучения флуоресценции композитных наноструктур, состоящих из Ti _0,91 О ₂ нанолисты и наночастицы CdS, которые отличаются от традиционного TiO ₂ Системы с излучением флуоресценции CdS. Спектры ФЛ, зависящие от мощности возбуждения и длины волны возбуждения, а также измерения затухания ФЛ с временным разрешением были также дополнительно исследованы для подтверждения рекомбинационных свойств носителей заряда и выяснения механизма конкуренции различных путей радиационных переходов в Ti _0.91 О ₂ / Композитная наноструктура CdS. Эти новые результаты представляют собой полезную точку зрения для разработки разделения заряда и извлечения заряда в TiO ₂ и композитные наноструктуры CdS для различных приложений оптоэлектроники.

Методы

Синтезировать образцы

Синтез Ti _0,91 О ₂ Сообщалось о нанолистах и ​​наночастицах CdS, основанных на методе послойной самосборки [27]. Общая процедура изготовления многослойного Ti _0,91 О ₂ Композитные наноструктуры / CdS демонстрируются следующим образом:твердые сферы поли (метилметакрилата) (ПММА) были полностью разбавлены водным раствором протонного полиэтиленимина (ПЭИ), чтобы обеспечить насыщенную адсорбцию ПЭИ на поверхности твердых сфер ПММА. Твердые сферы PMMA, покрытые PEI, разбавляются деионизированной водой с помощью ультразвуковой обработки; затем отрицательно заряженный Ti _0,91 О ₂ нанолисты добавляли к гибридному ПММА, покрытому раствором ПЭИ, при перемешивании, ПММА объединяли с Ti _0,91 О ₂ нанолистов из-за внутреннего электростатического взаимодействия противоположного заряда. Вышеуказанная процедура была повторена. Многослойный PEI / Ti _0.91 О ₂ Гибридные сферические наноструктуры / PEI / CdS, которые были нанесены на сферы из ПММА, были получены на основе описанных выше повторных процедур синтеза. Во время микроволнового облучения фрагмент PEI был удален, а частицы PMMA разложились. После реакции полые сферы, состоящие из чередующихся Ti _0,91 О ₂ Были получены нанолисты и КТ CdS, а незначительный остаток ПММА был удален с помощью тетрагидрофурана (ТГФ). Наконец, гибридные полые сферы с многослойным Ti _0,91 О ₂ / Получены наноструктуры CdS.

Экспериментальный прибор

Примеры изображений твердого тела Ti _0.91 О ₂ / Гибридные сферы CdS и полый Ti _0,91 О ₂ Гибридные сферы / CdS измеряли с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) соответственно. Соответствующие количества твердого Ti _0,91 О ₂ / Гибридные сферы CdS и полый Ti _0,91 О ₂ Гибридные сферы / CdS разбавляли деионизированной водой для получения более низких плотностей образцов. Разбавленные образцы наносили центрифугированием на покровное стекло из диоксида кремния для получения тонких пленок для оптических измерений при возбуждении 266 и 400 нм. Оптические измерения всех образцов проводились при комнатной температуре. Для спектральных измерений ФЛ использовался Ti:сапфировый лазер 800 нм пс с частотой следования 76 МГц для генерации импульсного лазера с длиной волны 266 и 400 нм на основе техники преобразования второй и третьей гармоник соответственно. Импульсный лазер двести шестьдесят шесть нанометров и 400 нм под углом падения ~ 45 ° относительно вертикального направления фокусировался на поверхность образца с плотностью мощности ~ 100 Вт / см ² . ФЛ от образцов собиралась вертикально объективом × 60 и отправлялась в спектрометр, а эмиссионные спектры ФЛ регистрировались с помощью монохроматора (Acton SP-2500i, 0,5 м, 150 линий мм ^{- 1} решетка, светящаяся на длине волны 500 нм), снабженную камерой устройства с зарядовой связью (CCD) Princeton Instruments, охлаждаемой жидким азотом. Для измерений затухания ФЛ с временным разрешением, ФЛ от образцов собиралась тем же объективом, а затем регистрировалась системой счета одиночных фотонов с временным разрешением 250 пс. Более того, соответствующий полосовой фильтр 450, 500 и 550 нм с полосой пропускания 10 нм использовался для эффективного измерения времени жизни фотолюминесценции с разной длиной волны.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показаны уровни энергии Ti _0,91 . О ₂ нанолисты и наночастицы CdS, а наночастицы CdS имеют более высокий уровень зоны проводимости по сравнению с Ti _0,91 О ₂ нанолисты. Изображение гибридных сфер Ti _0,91 , полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). О ₂ Нанолисты и наночастицы CdS длиной несколько сотен нанометров и гладкими поверхностями показаны на рис. 1б. Изображения твердого тела Ti _0,91 , полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) О ₂ / Гибридные сферы CdS и полый Ti _0,91 О ₂ Композитные сферические наноструктуры / CdS показаны на рис. 1в, г соответственно. На рисунке 1а показаны дифрактограммы чистого ПММА, CdS и Ti _0,91 . О ₂ / CdS-пленка. По сравнению с чистым ПММА Ti _0,91 О ₂ Пленка / CdS и CdS демонстрирует новые пики 2 и 4, указывающие на присутствие кубической фазы CdS. Состав Ti _0,91 О ₂ / CdS был идентифицирован с помощью электронной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), как показано на рис. 1f. Следовательно, полые сферы, состоящие из чередующихся Ti _0,91 О ₂ получены нанолисты и КТ CdS. Для дальнейшей проверки синтеза Ti _0,91 О ₂ нанолисты и наночастицы CdS на основе метода послойной самосборки, спектры поглощения и спектры комбинационного рассеяния Ti _0.91 О ₂ и Ti _0,91 О ₂ / CdS показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S1 и Рисунок S2, соответственно. По сравнению со спектрами комбинационного рассеяния Ti _0.91 О ₂ нанолисты, спектры комбинационного рассеяния Ti _0.91 О ₂ / CdS демонстрирует комбинацию Ti _0.91 О ₂ нанолисты и наночастицы CdS.

а Диаграмма энергетических зон гибридных сфер Ti _0.91 О ₂ и CdS. б Изображения Ti _0,91 , полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) О ₂ / CdS. c Изображения твердого Ti _0,91 , полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) О ₂ / Гибридные сферы CdS. г Полый Ti _0,91 О ₂ / Гибридные сферы CdS. е XRD PMMA, CdS и Ti _0,91 О ₂ / CdS. е XPS-спектр Ti _0,91 О ₂ / CdS

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) Ti _0.91 О ₂ (черный), CdS (красный) и Ti _0,91 О ₂ / CdS (черный), возбужденные на длине волны 266 нм, показаны на рис. 2а. Пики флуоресценции Ti _0,91 О ₂ и CdS составляют около 450 и 530 нм при возбуждении 266 нм соответственно. Поскольку запрещенная энергия TiO ₂ составляет 3,2 эВ, спектры ФЛ со смещением в красную область, наблюдаемые на рис. 2а, следует отнести к уровням дефектов, возникающих внутри запрещенной зоны Ti _0,91 О ₂ так что дыры, образовавшиеся в Ti _0.91 О ₂ валентная зона может релаксировать на различные уровни дефектного состояния по безызлучательным каналам, а затем рекомбинировать с электронами Ti _0,91 О ₂ , вызывая соответствующее оптическое излучение дефектного состояния. При возбуждении 266 нм пик флуоресценции около 530 нм от наночастиц CdS имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем у CdS (2,48 эВ). Мы предполагаем, что в наночастицах CdS происходит безызлучательный переход возбужденных электронов со дна зоны проводимости на различные уровни дефектных состояний. Однако пик излучения флуоресценции смещается до 500 нм, когда Ti _0,91 О ₂ Гибридная структура / CdS, возбужденная на длине волны 266 нм. Если исключить вклад либо Ti _0.91 О ₂ или CdS для излучения со смещенным синим спектром; затем этот механизм флуоресценции приписывается непрямому оптическому переходу (IOT) в гибридном интерфейсе Ti _0,91 О ₂ / Система CDS. В традиционном типе II TiO ₂ / Композитная наноструктура CdS, световое возбуждение TiO ₂ а CdS будет переносить электроны из верхней зоны проводимости CdS в нижнюю зону проводимости TiO ₂ и сгенерированы дыры из нижнего диапазона значений TiO ₂ к полосе более высоких значений наночастиц CdS. Если весь PL излучения Ti _0,91 О ₂ / CdS полые сферы происходят из наночастиц CdS, мы должны наблюдать более быстрый процесс затухания ФЛ, вызванный безызлучательным каналом распада, который электроны переносят из зоны проводимости наночастиц CdS в зону проводимости TiO ₂ за счет эффекта тушения флуоресценции, как в традиционном TiO ₂ / Система CDS. Поэтому для нынешнего Ti _0.91 были предложены новые механизмы переноса электрона. О ₂ / Система полых сфер гибридной наноструктуры CdS:электроны в зоне проводимости Ti _0.91 О ₂ рекомбинировать с дырками в валентной зоне наночастиц CdS; затем в этом Ti _0.91 появляется излучение со смещенным спектром. О ₂ / Композитный материал CdS.

а Спектры ФЛ Ti _0.91 О ₂ (черный), CdS (красный) и Ti _0,91 О ₂ / CdS (синий) образцы, возбужденные на длине волны 266 нм. б Кривые затухания ФЛ Ti _0.91 О ₂ (черный), CdS (красный) и Ti _0,91 О ₂ / Образцы CdS (синие) с возбуждением 266 нм

Чтобы лучше изучить перенос заряда между существующим Ti _0,91 О ₂ нанолистов и наночастиц CdS, измерения нестационарного затухания ФЛ с временным разрешением проводились на образцах, возбужденных на длине волны 266 нм. Кривые затухания ФЛ могут быть хорошо подогнаны к биэкспоненциальной функции в виде f ( т ) = А ₁ ехр (- t / τ ₁ ) + А ₂ ехр (- t / τ ₂ ). Среднее время жизни τ рассчитывается по форме τ =( A ₁ τ ₁ ² + A ₂ τ ₂ ² ) / ( А ₁ τ ₁ + A ₂ τ ₂ ), а все последующие расчеты срока службы основываются на форме. Следовательно, среднее время жизни ФЛ для Ti _0.91 О ₂ составляет 0,43 нс, а среднее время жизни ФЛ для CdS составляет 0,35 нс, как показано на рис. 2б. Что еще более важно, средний срок службы PL Ti _0,91 О ₂ Гибридные структуры / CdS заметно увеличиваются до 3,75 нс по сравнению с указанным выше временем жизни ФЛ, равным только Ti _0,91 О ₂ нанолисты или наночастицы CdS. На основе механизмов переноса заряда нового типа в Ti _0.91 О ₂ / CdS гибридные интерфейсы, электроны остаются в зоне проводимости Ti _0.91 О ₂ нанолистов, но дырки могут либо релаксировать на уровни дефектного состояния, либо переноситься на уровни валентной зоны наночастиц CdS. Из-за более низкой симметрии при Ti _0,91 О ₂ Гибридный интерфейс / CdS, оптическая рекомбинация электронов в зоне проводимости Ti _0.91 О ₂ а дыры на уровне диапазона значений CdS приводят к увеличению срока службы фотолюминесценции. Однако результаты экспериментов также указывают на слабую оптическую активность Ti _0,91 . О ₂ / Полые сферические наноструктуры CdS при возбуждении лазером с длиной волны 400 нм и явного проявления сенсибилизации CdS на Ti _0,91 О ₂ . Это означает, что электроны в зоне проводимости CdS будут склонны к рекомбинации с дыркой в ​​зоне значений CdS, а не переходят в зону проводимости Ti _0,91 О ₂ нанолисты. Эти результаты экспериментов показывают, что отличная от традиционной флуоресценция типа II может быть хорошо объяснена новым пространственным разделением электронов и дырок типа II поперек Ti _0,91 О ₂ / Гибридный интерфейс CDS. Более того, чтобы лучше сравнить перенос заряда и электронное взаимодействие между Ti _0.91 О ₂ / CdS и TiO ₂ / CdS, спектры ФЛ и измерения нестационарного затухания ФЛ с временным разрешением проводились на образцах Ti _0.91 О ₂ / CdS и TiO ₂ / CdS, возбужденный на длине волны лазера 266 нм, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S3 (a). По сравнению с TiO ₂ / Сферы CdS, пик излучения Ti _0,91 О ₂ / CdS-сферы показывают такой же пик излучения. Однако увеличенное время жизни распада, наблюдаемое в Ti _0.91 О ₂ / CdS полые сферы показывают, что динамика распада Ti _0.91 О ₂ / Полые сферы из CdS принципиально отличаются от традиционных TiO ₂ / Система CDS.

Для дальнейшего изучения механизма интерактивного переноса заряда между CdS и Ti _0,91 О ₂ гибридной структуре, мы сравниваем спектры ФЛ и характеристики затухания ФЛ полого и твердого Ti _0.91 О ₂ Гибридные сферы / CdS с возбуждением 266 и 400 нм соответственно. Когда Ti _0,91 О ₂ / CdS возбуждается на длине волны 266 нм, электроны в конечном итоге остаются в зоне проводимости Ti _0,91 О ₂ , а дырки могут быть перенесены в полосу значений наночастиц CdS. Оптическая рекомбинация между электронами в зоне проводимости Ti _0.91 О ₂ , и дыры в диапазоне значений CdS допускаются. Однако Ti _0.91 О ₂ / Твердые сферы CdS содержат матрицу PMMA и фрагмент PEI; таким образом, эти изолирующие органические поверхностно-активные вещества препятствуют переносу заряда в Ti _0,91 О ₂ / CdS интерфейс. Из-за электронной связи между CdS и Ti _0,91 О ₂ В гибридной структуре подвижность носителей заряда может быть значительно увеличена за счет удаления органических поверхностно-активных веществ с поверхности квантовых точек (КТ). Спектры фотолюминесценции (ФЛ) и время затухания ФЛ показаны на рис. 3а, б соответственно. Пики ФЛ Ti _0,91 О ₂ / Твердые сферы CdS были сдвинуты в красную область по сравнению с Ti _0,91 О ₂ / CdS полая сфера, а среднее время жизни ФЛ составляет 4,25 нс (сплошные сферы) и 3,69 нс (полая сфера), что подразумевает фотовозбужденные дырки в валентной зоне Ti _0,91 О ₂ инжектировать в валентную зону CdS в твердых гибридных структурах труднее. Шаблоны PMMA и PEI были полностью удалены, чтобы улучшить взаимодействие между чередующимися нанолистами CdS и Ti _0,91 О ₂ и приводят к усилению явления тушения ФЛ и сокращению времени затухания ФЛ. Таким образом, эффект тушения ФЛ в Ti _0.91 О ₂ Гибридные структуры / CdS объясняются диссоциацией электронов, поскольку затухание отбеливания из-за поверхностного захвата не объясняет эффективного явления тушения фотолюминесценции. Процесс разделения заряда в Ti _0,91 О ₂ Гибридные структуры / CdS возникают за счет переноса дырок из валентной зоны Ti _0.91 О ₂ в валентную зону нанокристаллов CdS на основе нового непрямого оптического перехода типа II в плотноупакованном Ti _0.91 О ₂ Гибридные наноструктуры CdS. Таким образом, время жизни рекомбинации носителей заряда за счет непрямого оптического перехода было уменьшено с 4,25 нс (сплошная сфера) до 3,69 нс (полая сфера).

а Спектры ФЛ полого Ti _0.91 О ₂ / CdS (черный) и твердый Ti _0,91 О ₂ / CdS (красный) образцы, возбужденные на длине волны 266 нм. б Кривые затухания ФЛ полого Ti _0.91 О ₂ / CdS (черный) и твердый Ti _0,91 О ₂ / CdS (красный) образцы с возбуждением 266 нм. c Спектры ФЛ полого Ti _0.91 О ₂ / CdS (черный) и твердый Ti _0,91 О ₂ / CdS (красный) образцы, возбужденные на длине волны 400 нм. г Кривые затухания ФЛ полого Ti _0.91 О ₂ / CdS (черный) и твердый Ti _0,91 О ₂ / Образцы CdS (красные) при возбуждении 400 нм

Путем настройки длины волны возбуждения на 400 нм при более высокой мощности возбуждения были измерены спектры ФЛ и временная динамика затухания ФЛ с временным разрешением. Результаты показывают, что слабые спектры ФЛ с 10-кратным интегрированным временем показаны на рис. 3в, а среднее время жизни ФЛ (0,59 нс) Ti _0,91 О ₂ Твердые гибридные структуры / CdS короче времени жизни фотолюминесценции (0,45 нс) Ti _0,91 О ₂ Полые гибридные структуры / CdS, как показано на рис. 3d, предполагая, что CdS имеет более высокую скорость переноса электрона в сторону Ti _0,91 О ₂ согласно традиционному типу II Ti _0,91 О ₂ / Гетероструктура CdS. По сравнению со случаем возбуждения 266 нм более короткое время жизни ФЛ при возбуждении 400 нм указывает на то, что эффект тушения ФЛ дополнительно усиливается из-за оптической рекомбинации между электронами и дырками в Ti _0,91 О ₂ / Система CdS или отход дырок на фотокоррозию в наночастицах CdS. Следовательно, Ti _0.91 О ₂ Полые гибридные сферы / CdS проявляют слабую оптическую активность при возбуждении лазером с длиной волны 400 нм, и в Ti _0.91 не возникает явной сенсибилизации. О ₂ / Гибридные сферы CdS.

Для дальнейшего исследования путей релаксации носителей заряда в Ti _0.91 О ₂ / CdS полый гибридный интерфейс, спектры ФЛ в зависимости от интенсивности возбуждения в Ti _0.91 О ₂ Гибридные сферические структуры / CdS исследованы при возбуждении лазером с длиной волны 266 нм. При низкой интенсивности возбуждения 266 нм мы впервые заметили, что пик 475 нм является доминирующим в спектре ФЛ. При увеличении мощности возбуждения интенсивность соответствующих спектров ФЛ в зависимости от мощности возбуждения изменялась от 300 до 1000 Вт / см ² . а длина волны центрального пика спектра ФЛ сдвигается от 475 до 560 нм, как показано на рис. 4а. Мы предварительно приписали перенос электрона из зоны проводимости Ti _0.91 О ₂ к зоне проводимости CdS при Ti _0.91 О ₂ Гибридные наноструктуры / CdS возбуждались лазером с более высокой мощностью 266 нм; затем электронно-дырочная рекомбинация происходит между электронами в зоне проводимости CdS и дырками в валентной зоне или на уровне дефектов наночастиц CdS в соответствии с механизмом рекомбинации типа I, как показано на рис. 4b. Эти различные спектры ФЛ показывают, что красный сдвиг происходит с увеличением мощности возбуждения. Такие результаты подтверждают различную природу и происхождение длины волны излучения 475 и 560 нм соответственно. Таким образом, длина волны излучения 475 нм указывает свойство излучения типа II, а длина волны излучения 560 нм отражает свойство излучения типа I. Спектры, смещенные в зависимости от мощности возбуждения, указывают на механизм конкуренции между пространственно прямым и непрямым каналами рекомбинации в Ti _0,91 О ₂ / CdS составные интерфейсы. При непрерывном увеличении мощности возбуждения больше электронов с мощным возбуждением передается из зоны проводимости Ti _0,91 О ₂ к зоне проводимости наночастиц CdS, что приводит к сильному увеличению отношения интенсивностей между центральной длиной волны 560 и 475 нм, а отношение интенсивностей фотолюминесценции двух пиков излучения может достигать 3,5, как показано на рис. 4c. Однако слабая интенсивность фотолюминесценции означает, что перенос электрона из зоны проводимости Ti _0.91 О ₂ к зоне проводимости наночастиц CdS играет незначительную роль в возникновении излучения ФЛ.

а Зависимость спектров ФЛ от мощности возбуждения. б Перенос электрона из зоны проводимости Ti _0.91 О ₂ в CdS с мощным возбуждением. c Интегральное отношение интенсивностей ФЛ между центральной длиной волны 560 и 475 нм. г Измерения ФЛ с временным разрешением для 450, 500 и 550 нм с длиной волны возбуждения 266 нм

Для дальнейшей проверки двух типов механизмов перехода с разной мощностью возбуждения в Ti _0.91 О ₂ / CdS полые сферы, зондирующий эксперимент по фотолюминесценции с временным разрешением (TRPL), зависящей от длины волны, был проведен с различной плотностью мощности возбуждения. Он подходит для мониторинга процесса переноса носителей заряда или электронно-дырочной рекомбинации в Ti _0.91 О ₂ / CdS интерфейс. Время жизни TRPL Ti _0.91 О ₂ / CdS были измерены с использованием различных длин волн зонда при 450, 500 и 550 нм соответственно. И был использован соответствующий полосовой фильтр 450, 500 и 550 нм с полосой пропускания 10 нм. TRPL дает большее время жизни (3,72 нс) при более короткой длине волны (450 нм) в Ti _0,91 О ₂ / CdS, как показано на рис. 4d, из-за пространственного разделения носителей заряда в композитных структурах с электронами в зоне проводимости Ti _0,91 О ₂ нанолисты и дырки в валентной зоне наночастиц CdS. Эти гибридные структуры типа II снижают интенсивность ФЛ из-за меньшего перекрытия волновых функций электронов и дырок и, следовательно, увеличивают время жизни рекомбинации ФЛ. Однако время жизни ФЛ (1,61 нс) на большей длине волны (550 нм) становится быстрее из-за увеличения перекрытия волновых функций между электроном зоны проводимости (CB) и дыркой валентной зоны (VB) в наночастицах CdS, как показано на рис. . 4d. Эти данные ясно показывают, что фотовозбужденные носители в Ti _0.91 О ₂ / CdS вносят существенный вклад в увеличение времени жизни ФЛ. Это свидетельство дополнительно подтверждает, что доминирующая ФЛ возникает в результате рекомбинации электронов в CB Ti _0,91 О ₂ и дырка в VB наночастиц CdS. Эти данные подтверждают, что электроны в зоне проводимости Ti _0,91 О ₂ нанолисты рекомбинируют с дырками в валентной зоне наночастиц CdS посредством непрямого оптического перехода, который отличается от традиционного TiO ₂ / Система CDS. Такой увеличенный срок службы носителей делает Ti _0,91 О ₂ / Композитная наноструктура CdS, наиболее подходящая для фотоэлектрических приложений. Чтобы охарактеризовать способность синтетических образцов, были записаны линейные кривые JV, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S4. Значительное усиление фототока после сенсибилизации CdS показывает преимущество Ti _0.91 О ₂ / CdS по сравнению с Ti _0.91 О ₂ со световой подсветкой. Следовательно, более высокая загрузка фотосенсибилизатора приведет к более высокой плотности фототока.

Выводы

Таким образом, мы обнаружили новые свойства непрямых оптических переходов (IOT) в многослойном PEI / Ti _0,91 О ₂ / Гибридные наноструктуры PEI / CdS по спектрам ФЛ и измерениям ФЛ с временным разрешением. В этом новом композитном материале на основе спектрального измерения ФЛ и измерения TRPL возникает световое излучение со сдвигом от красного к синему. И увеличенное время жизни фотолюминесценции Ti _0.91 О ₂ Композитная наноструктура / CdS по сравнению только с Ti _0,91 О ₂ сфер или наночастиц CdS. Эти результаты демонстрируют новый механизм рекомбинации фотолюминесценции из-за оптической рекомбинации между дырками на уровне зоны значений CdS и электронами на уровне зоны проводимости Ti _0,91 О ₂ который отличается от традиционного TiO ₂ / Композитная система CdS. Путем настройки длин волн возбуждения и мощности возбуждения можно получить спектры и время жизни фотолюминесценции Ti _0,91 О ₂ Гибридные структуры / CdS демонстрируют поведение, зависящее от длины волны возбуждения и мощности возбуждения. Из конфигураций запрещенной зоны, IOT для Ti _0.91 О ₂ / Гибридная структура CdS, которая приводит к увеличению срока службы носителей заряда, способствует разделению и извлечению носителей заряда для важных приложений в фотоэлектрических системах.

Сокращения

IOT:

Косвенный оптический переход

PL:

Фотолюминесценция

PMMA:

Полиметилметакрилат

QD:

Квантовые точки

TRPL:

Фотолюминесценция с временным разрешением