Optische eigenschappen en groeimechanisme van La3Ga5.5Nb0.5O14 macroporeus keramiek

Resultaten en discussie

De amorfe verbinding wordt onderworpen aan een warmtebehandeling om een ​​pyrolyseproces te ondergaan om een ​​kristallijne structuur te krijgen. In dit experiment zijn de mogelijke chemische reacties voor de synthese van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₃ poeders kunnen als volgt worden uitgedrukt:

Dit precursorpoeder wordt gedurende ongeveer 3 uur bij 600-800 ° C met warmte behandeld en de XRD-patronen voor deze temperatuur worden getoond in Fig. 1. Bij een gecalcineerde temperatuur van 600 ° C heeft het precursorpoeder zijn kleine hoeveelheid microkristalstructuur getoond . Wanneer de temperatuur tot 700 °C stijgt, vindt ontleding van amorf poeder plaats en begint het te kristalliseren. Wanneer de sintertemperatuur 800 °C bereikt, wordt het precursorpoedermonster weergegeven in een enkele fase die orthorhombisch is La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ fase (JCPDS-bestand nr. 47-0533) waar de pieken worden geïdentificeerd. Deze scherpere piek laat zien dat de kristallijne vorm van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ poeder. Met de temperatuurstijging wordt de intensiteit van de pieken scherper wat de kristallijne structuur van de La₃ aangeeft Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ poeder.

Röntgendiffractiepatronen van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ voorloperpoeders gegloeid bij (a ) 600, (b ) 700, en (c ) 800°C gedurende 3 uur

De FT-IR-spectra van het poeder bij 600-800 ° C worden getoond in Fig. 2. Figuur 2a, b toont de IR-spectra van poeder bij respectievelijk 600 tot 700 ° C, waar er een scherpe rek is bij een golflengte van 2300 nm die de aanwezigheid van sterke uitrekking van de koolstofdioxideverbinding identificeert en er is een bulkrek bij een golflengte van 1500 nm die de geabsorbeerde nitraationen in de structuur aangeeft [14]. Dit kunnen dus de sterke rektrillingen van nitraationen zijn. Uit Fig. 2c zijn er nieuwe pieken gevormd bij 500 tot 600 nm wanneer de uitgloeitemperatuur wordt verhoogd tot 800 ° C. Deze nieuwe piek duidt op de vorming van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ nanokristallen. De pieken die aanwezig zijn bij een golflengte van 1500 nm en 2300 nm worden gecalcineerd bij 800 °C. Dit toont de aanwezigheid van kleine residuen in de organische verbinding.

FT–IR-spectra van gedroogde poeders bij (a ) 600, (b ) 700, en (c ) 800 °C gedurende 3 uur met een samenstelling van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄

TEM-afbeeldingen van het voorloperpoeder bij 600 ° C voor de morfologie worden getoond in Fig. 3. De eerste afbeelding toont de grootte en vormmorfologie van het voorloperkeramiek. Uit de figuur blijkt dat nanofoams van verschillende groottes aanwezig zijn in het precursorpoeder. De tweede afbeelding is de vergrote versie en zijaanzicht van de eerste afbeelding. Aangetoond is dat aan het begin van kristalvorming uitpuilende nanofoams op het oppervlak van de voorloper aanwezig zijn. Deze nanofoams hebben verschillende afmetingen, zoals blijkt uit de afbeelding. Deze nanofoams hebben een lage dikte en wanneer de temperatuur stijgt, vormen deze nanofoams microporeuze gaatjes. Dit laat zien dat de deeltjes een halfronde vorm hebben die van binnen hol is. Dit nanoporeuze materiaal is een nanoschuim dat gas bevat. Wanneer de temperatuur stijgt, laten deze nanofoams een gat achter met een diameter van minder dan 100 nm.

De morfologie van gesynthetiseerde La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ bij 600 °C. De inzet zijn de TEM-afbeeldingen van nanofoam op het oppervlak van de voorloper

TEM-afbeeldingen met verschillende vergrotingen worden getoond in Fig. 4. In Fig. 4 (a) is de vergroting erg laag, namelijk 100 nm, en is de zichtbaarheid van de structuur niet goed. In Fig. 4 (b) wordt het TEM-beeld vergroot tot 10 nm en is de kristalstructuur te zien. In figuur 4(c) wordt het beeld vergroot tot 5 nm. Fig. 4(d) geeft de kleine hoeveelheid microkristalstructuur weer.

TEM-analyse voor het kristal bij 800 ° C wordt getoond in Fig. 5. De eerste Fig. 5a vergroting is erg laag, wat de nanosamenstelling van de kristalvorm laat zien. Figuur 5b is een sterk uitvergroot beeld van het kristal waar de structuur van het macroporeuze kristal te zien is. De heldere afbeeldingen zijn de luchtgaten die zijn gevormd uit de nanofoams. Elektronendiffractie van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ kristallijne structuur wordt getoond in Fig. 5c. Er zijn cirkelvormige heldere continue ringen in het elektronendiffractiepatroon. Dit geeft aan dat de deeltjes op nanoschaal waren, en het bevestigt ook de kristallijne aard van de nanodeeltjes [23]. EDX-analyse van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeus oxide wordt getoond in figuur 5d. Deze analyse toont ongeveer de molaire verhouding van de structuur La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ . De piek van Ga is hoog, wat aangeeft dat het meer inhoud heeft. Nb heeft een zeer lage piek omdat deze zeer weinig inhoud heeft.

een TEM-afbeeldingen van gesynthetiseerde La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ bij 700 °C, b TEM-beeld met hoge resolutie van de microporeuze, c het roosterbeeld voor nanokristallijne structuur op korte afstand, en d elektronendiffractiepatroon van het nanokristallijne gebied op korte afstand

Een voorgesteld schematisch groeimechanisme van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeus op basis van de verstrekte details wordt getoond in Fig. 6. In dit proces vormt gesynthetiseerd macroporeus oxide kristallen bij 600 ° C zoals getoond in het schematische Fig. 5a. Zoals vermeld, is het precursorpoeder bij 600 ° C en heeft het nanofoams die nanogestructureerde poreuze materialen zijn met een diameter van minder dan 100 nm. Deze nanofoams zijn bulk nanoporeuze materialen met vergrote vorm en zeer lage dikte. De vorming van nanofoams vindt plaats door verhitting in aanwezigheid van zuurstof. In dit stadium is de voorloper in niet-kristallijne vorm. Wanneer de gloeitemperatuur wordt verhoogd tot 700 ° C, zullen de volumineuze nanofoams eruit springen vanwege de kleinere dikte en blijft er een gat achter met een diameter van minder dan 100 nm. Deze nanofoams zijn bulk nanoporeuze materialen die gevuld zijn met vloeistof of gas. In dit geval zijn deze nanofoams gevuld met gas ofwel zuurstof of koolstofdioxide. In dit stadium is de voorloper in niet-kristallijne vorm. Wanneer de uitgloeitemperatuur wordt verhoogd tot 700 °C, zullen deze nanoschuimen, die van binnen hol zijn, eruit springen en een gat met een diameter van minder dan 100 nm achterlaten. Tijdens het gloeiproces van 600 tot 700 ° C hebben deze nanoschuimen de neiging groter te worden en uiteindelijk macroporeuze gaten te vormen. Tegelijkertijd worden er veel microkristallen gevormd in een onregelmatige volgorde rond de nanofoam-gaatjes. Nadat de nanofoams zijn ingestort en sinteren heeft plaatsgevonden, zal de korrelgrootte toenemen en zal de grensvlakenergie afnemen [24] (Fig. 6).

een TEM-beelden van gesynthetiseerd macroporeus bij 800 °C, b TEM-beeld met hoge resolutie van de macroporeuze, c elektronendiffractiepatroon, en d EDX-analyse van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeus oxide

Het schematische mechanisme voor de groei van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeus via een sol-gel route in onze speciaal ontworpen precursoroplossing

Wanneer de gloeitemperatuur wordt verhoogd tot 800 °C, vormen de microkristallen tot kristalkorrels die hard zijn, en deze korrels worden gescheiden door de grenskorrels. In dit proces is de instortingssnelheid van nanofoams recht evenredig met het kristallisatieproces. Als de gecalcineerde temperaturen worden verhoogd, stimuleert dit de groei van de oxidekristallen. De gevormde structuur zal worden gekristalliseerd en de macroporeuze gaten zullen worden gevormd met verschillende afmetingen, variërend van 50 tot 100 nm.

De emissiespectra van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ monsters bij 77 K en 300 K worden getoond in Fig. 7. Fotoluminescentieresultaten laten zien dat het monster dat is bereid bij 77 K emissiespectra heeft vertoond bij 475 nm dan het monster bij kamertemperatuur van 300 K. De ideale toestandstemperatuur voor het monster is 77 K, en bij deze temperatuur zullen er geen thermische trillingen zijn die de procedure beïnvloeden. Volgens Blasse [25] zijn er twee soorten absorberende groepen in niobaatcomplexen, namelijk [NbO₆ ] ⁷⁻ en [NbO₄ ] ³⁻ . Bij 327 nm excitatiespectra verscheen er slechts één piek die overeenkomt met de [NbO₆ ] ⁷⁻ complexe groep. Dit geeft aan dat de overdracht van de lading plaatsvond in de banden van [NbO₆ ] ⁷⁻ in de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ systeem. Dus hier, de kristalstructuur van La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ kan worden opgebouwd door de edge-sharing van NbO₆ trigonale prisma's.

De kamertemperatuur (300 K) en 77 K emissie (λ _ex =327 nm) spectra van zuivere La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ poeders gegloeid bij 800 °C

De PL-emissiespectra vertoonden een sterke blauwe emissiespectrapiek bij 457 nm. Hier hangt het luminescentie-effect af van de Nb-O-Nb-binding waarbij de geleidingsband bestaat uit Nb ⁵⁺ 4d orbitalen en de volantband van O ²⁻ 2p orbitalen tussen de hoekdelende octaëdrische [26]. Er werd een sterke temperatuurafhankelijkheid van de emissiepiek waargenomen. De intensiteit van de emissiepiek nam snel af en verdwijnt bijna wanneer de temperatuur steeg van 77 tot 300 K. Het uitdoven van de emissiepiek moet worden toegeschreven aan twee redenen voor het thermische uitdovingseffect in macroporeus La3Ga5.5Nb0.5O14-keramiek. De ene is dat niet-stralingstransitie resulteert in de warmte door overdracht van energie naar fononen in de roosters; een andere is dat de verkiezingen in de val kunnen lopen door eventuele gebreken in de roosters; en het is algemeen bekend dat de val zich centreert in niobaatcomplexen, wat een belangrijk dovend effect op luminescentie zou kunnen hebben [27, 28].

UV-Vis absorptiespectra van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeuze deeltjes worden gemeten en de bandafstand wordt geschat op basis van de absorptiespectra in figuur 8. De absorptieluminescentie heeft een maximale intensiteit van 260 nm, wat overeenkomt met de excitatiespectra. De absorptie in de buurt van het begin als gevolg van de elektronische overgang voor een bepaalde halfgeleider wordt gegeven door de volgende vergelijking:

Absorptiespectra van de La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ poeders gegloeid bij 600-800 ° C gedurende 3 uur gemeten bij kamertemperatuur. De inzet is het gedrag van optische absorptie als de functie van fotonenergie voor La₃ Ga_5.5 Nb_0,5 O₁₄ macroporeus bij 800 °C

waar α is de absorptiecoëfficiënt, C is de constante, hν is de fotonenergie, en E _g is de bandgap. De inzet van Fig. 8 toont de relatie van (α hν) ² en hν. De inzet in Fig. 8 toont de band gap van 3,95 eV. In het experiment zijn er kleine bultjes aanwezig bij ongeveer 320 nm van 600 tot 800 °C. Deze bobbels duiden op de aanwezigheid van een zuurstofvacaturedefect [29]. Bij 800 °C gloeitemperatuur brandde de organische verbinding zeer snel hevig en dit verbruikte veel zuurstof. Er wordt ook opgemerkt dat de defecten hoog zijn bij 600 ° C, en met de toename van de temperatuur worden deze leegstandsdefecten verminderd.