Наноструктуры ZnO, выращенные методом ультразвукового синтеза

Ультразвуковой синтез наночастиц привлекает всё больше внимания благодаря способности получать наноматериалы с контролируемыми размером, морфологией и кристалличностью в мягких условиях реакции. Этот метод использует акустическую кавитацию для создания локальных высоких температур и давлений, способствующих усиленному зародышеобразованию и росту наночастиц. По сравнению с традиционными методами синтеза ультразвуковой синтез обладает такими преимуществами, как высокая скорость реакций, масштабируемость и возможность точной настройки структурных свойств путём изменения параметров реакции.

На примере синтеза наноструктур ZnO мы показываем преимущества ультразвукового синтеза наночастиц с модифицированной структурой. В исследовании Morales-Flores et al. (2013) изучается роль сонохимического синтеза в управлении морфологией наноструктур ZnO. Используя ультразвуковой аппарат Hielscher зондового типа UP400St (400 watts, 24 kHz), исследователи продемонстрировали, как изменения условий реакции, особенно pH, влияют на конечную морфологию, структурные свойства и характеристики фотолюминесценции наноструктур ZnO.

Экспериментальная установка – синтез наночастиц ZnO с помощью обработки ультразвуком

Водные растворы ацетата цинка (0,068 M) подвергали ультразвуковому облучению при рассеиваемой мощности 40 W в потоке аргона. Значение pH реакционной смеси регулировали в диапазоне от 7 до 10 с помощью гидроксида аммония (NH4OH), что существенно влияло на морфологию синтезированных структур ZnO. Сонохимический процесс вызывал акустическую кавитацию, создавая локальные условия высокой температуры и высокого давления, которые способствовали зародышеобразованию и росту ZnO.

Влияние pH на морфологию и структурные свойства

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) выявила различную морфологию при разных значениях pH:

• pH 7,0: Образование стержнеобразных наноструктур ZnO (ширина 86 nm, длина 1182 nm) со смешанной фазой ZnO/Zn(OH)2.
• pH 7,5–8,0: Переход к огранённым брускам и брускам с чашеобразными концами (длина ~250–430 nm, ширина 135–280 nm).
• pH 9,0: Веретенообразные наноструктуры ZnO (длина ~256 nm, ширина 95 nm) с высокой микродеформацией.
• pH 10,0: Однородные огранённые нанобруски (длина ~407 nm, ширина 278 nm) с пониженной плотностью дефектов.

SEM-микрофотографии наноструктур ZnO, синтезированных ультразвуковым методом и выращенных при значениях pH реакционной смеси (a) 7, (b) 7,5, (c) 8, d) 9,
и (e) 10.
(Исследование и изображения: ©Flores-Morales et al., 2013)

Рентгеновская дифракция (XRD) подтвердила наличие ZnO с гексагональной структурой вюрцита при pH > 7, с повышением кристалличности и ростом зёрен при более высоких значениях pH.

Оптические свойства и управление дефектами

Анализ фотолюминесценции (PL) при комнатной температуре выявил две основные полосы излучения:

• Ультрафиолетовое излучение (~380 nm): экситонные переходы вблизи края запрещённой зоны.
• Видимое излучение (~580 nm): связано со структурными дефектами, такими как кислородные вакансии и межузельные дефекты.

Примечательно, что повышение pH до 9 приводило к увеличению интенсивности излучения, связанного с дефектами, что объяснялось увеличением площади поверхности и несовершенств кристаллической решётки. Однако при pH 10 интенсивность излучения, связанного с дефектами, снижалась вследствие уменьшения количества поверхностных дефектов и дефектов решётки.

«Наноструктуры ZnO различной морфологии можно было получать путём ультразвукового гидролиза ацетата цинка в водном растворе, управляя скоростью его гидролиза посредством регулирования pH. В то время как при pH раствора 7 или ниже образуются наноструктуры ZnO с примесью фазы Zn(OH)2, при более высоких значениях pH реакционной смеси образуются наноструктуры ZnO в чистой гексагональной фазе. Регулируя pH раствора в диапазоне от 7,5 до 10, можно было получать фазово-чистые наноструктуры ZnO различной морфологии и управлять концентрацией их структурных и поверхностных дефектов. Продемонстрировано эффективное применение ультразвука малой мощности для химического синтеза наноструктур ZnO.»
Flores-Morales et al., 2013

Это исследование показывает существенное влияние ультразвукового облучения с использованием UP400St на синтез наноструктур ZnO. Регулируя pH, исследователи успешно изменяли морфологию, кристалличность и плотность дефектов. Полученные результаты подчёркивают потенциал сонохимических методов для синтеза наночастиц с заданными характеристиками, открывая возможности для применения в оптоэлектронике и катализе.

Выберите лучший ультразвуковой аппарат для синтеза наночастиц

Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа известны своей мощностью, надёжностью, точностью и удобством использования, что делает их идеальным выбором для синтеза наночастиц. Благодаря передовым технологиям и надёжным инженерным решениям эти ультразвуковые процессоры обеспечивают непревзойдённый контроль сонохимических реакций, гарантируя воспроизводимость и эффективность. Например, UP400St обеспечивает точное введение энергии и настраиваемые параметры, позволяя исследователям подбирать условия синтеза для достижения оптимальной морфологии и кристалличности наночастиц. Как в лабораторных исследованиях, так и в промышленности ультразвуковые аппараты Hielscher гарантируют высокую производительность и простоту использования, укрепляя свою репутацию одного из лучших вариантов для сонохимического синтеза.
Воспользуйтесь мощью ультразвука для синтеза наночастиц!
 

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и сложной эксплуатационной средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам с самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют нормам CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: