Спектральные особенности нанокристаллов AgBiS2 и AgInS2, легированных иттербием

Карамышева С.П., Черевков С.А., Мирущенко М.Д., Алейник И.А., Татаринов Д.А., Ушакова Е.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Карамышева С.П., Черевков С.А., Мирущенко М.Д., Алейник И.А., Татаринов Д.А., Ушакова Е.В. Нанокристаллы AgBiS₂ и AgInS₂, легированные иттербием: на пути к ближнему инфракрасному излучению // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 18–29. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-18-29

Karamysheva S.P., Cherevkov S.A., Miruschenko M.D., Aleinik I.A., Tatarinov D.A., Ushakova E.V. Yb-doped AgBiS₂and AgInS₂ nanocrystals: towards near-infrared emission // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 18–29. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-18-29

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В данной работе исследованы и описаны спектральные особенности нанокристаллов тройного состава I-V-VI₂ и I-III-VI₂, легированные редкоземельным металлом, иттербием. Цель работы. Создание нового метода синтеза нанокристаллов тройного состава для дальнейшего изучения их оптических и морфологических свойств. Метод. В результате анализа полученных образцов с помощью атомно-силовой микроскопии и метода динамического рассеивания оптического излучения были определены средние размеры нанокристаллов AgInS₂:Yb и AgBiS₂:Yb и было произведено их сравнение между собой. Для регистрации спектров поглощения и фотолюминесценции веществ использовались спектрофотометрия и спектрофлуориметрия соответственно. Для более глубокого исследования электронной структуры синтезируемых материалов была зарегистрирована кинетика затухания фотолюминесценции с помощью лазерного сканирующего люминесцентного микроскопа. Основные результаты. Морфологический анализ показал, что в результате одностадийного синтеза на основе матрицы AgInS₂ образуются нанокристаллы меньшего размера, чем образец сравнения, а при двухстадийном синтезе средние размеры нанокристаллов превышают размеры образца сравнения в 1,5 раза. Спектры поглощения образцов AgInS₂:Yb и AgBiS₂:Yb и их образцов сравнения соответствуют типичным спектрам поглощения полупроводниковых нанокристаллов тройных соединений. Спектр поглощения нанокристаллов AgBiS₂:Yb в отличие от AgInS₂:Yb имеет широкий диапазон: от 300 до 1300 нм. В спектрах фотолюминесценции нанокристаллов AgInS₂ и AgInS₂:Yb почти не наблюдается сдвига максимума полосы, а фотолюминесценция, типичная для иона иттербия, отсутствует. Было выяснено, что с помощью легирования иттербием можно управлять средневзвешенными временами затухания фотолюминесценции нанокристаллов AgInS₂:Yb. Фотолюминесценции образцов AgBiS₂ и AgBiS₂:Yb в красной и ближней инфракрасной областях не обнаружено. Практическая значимость. Материал такого типа может быть использован для производства абсорбционного слоя солнечных батарей, а также сенсобилизаторов для фотодинамической и фототермической терапии. Дальнейшее исследование изотропных образцов таких нанокристаллов позволит не только расширить их применение, но и в перспективе улучшить физические свойства наночастиц.

Ключевые слова:

нанокристаллы, тройные соединения, легирование, редкоземельные металлы, фотолюминесция, кинетика фотолюминесценции, атомно-силовая микроскопия

Благодарность:

авторы выражают благодарность ЦКП «Нанотехнологии» Университета ИТМО. Авторы благодарят Федеральную программу академического лидерства «Приоритет 2030» за финансовую поддержку

Коды OCIS: 300.6280, 300.6340, 300.6550, 160.2540, 160.4236, 160.4760

Список источников:

1. Reshma V.G., Mohanan P.V. Quantum dots: Applications and safety consequences // J Lumin. 2019. V. 205. P. 287–298. https://doi.org/10.1016/j.jlumin. 2018.09.015
2. Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Dubkova M.A. Modification of optical and electrical properties of lead selenide PbSe films by nanosecond laser pulses with a wavelength of 1.064 microns // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 4. P. 179–185. https://doi.org/10.1364/JOT. 90.000179
3. Ruzhevich M.S., Semakova A.A., Mynbaev K.D. Optical transitions in long-wavelength light-emitting diode heterostructures based on InAsSb // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 7. P. 362. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000362
4. Visheratina A.K., Orlova A.O., Purcell-Milton F. Influence of CdSe and CdSe/CdS nanocrystals on the optical activity of chiral organic molecules // J Mater Chem C Mater. 2018. V. 6. № 7. P. 1759–1766. https://doi.org/10.1039/c7tc03457a
5. Cao Z., Shu Y., Qin H. Quantum dots with highly efficient, stable, and multicolor electrochemiluminescence // ACS Cent Sci. 2020. V. 6. № 7. P. 1129–1137. https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00484
6. Ma F., Abboud K.A., Zeng C. Precision synthesis of a CdSe semiconductor nanocluster via cation exchange // Nature Synthesis. 2023. V. 2. № 10. P. 949–959. https://doi.org/10.1038/s44160-023-00330-6
7. Cui C., Li X., Liu J. Synthesis and functions of Ag₂S nanostructures // Nanoscale Res Lett. 2015. V. 10. № 1. P. 431. https://doi.org/10.1186/s11671-015-1125-7
8. Chevallier T., Le Blevennec G., Chandezon F. Photoluminescence properties of AgInS2-ZnS nanocrystals: The critical role of the surface // Nanoscale. 2016. V. 8. № 14. P. 7612–7620. https://doi.org/10.1039/c5nr07082a
9. Long Z., Zhang W., Tian J. Recent research on the luminous mechanism, synthetic strategies, and applications of CuInS₂ quantum dots // Inorg Chem Front. 2021. V. 8. № 4. P. 880–897. https://doi.org/10.1039/d0qi01228a
10. Nakazawa T., Kim D., Oshima Y. Synthesis and application of AgBiS₂ and Ag₂S nanoinks for the production of IR photodetectors // ACS Omega. American Chemical Society. 2021. V. 6. № 31. P. 20710–20718. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c03463
11. Kurshanov D.A., Gromova Yu.A., Cherevkov S.A. Nontoxic ternary quantum dots AgInS₂ and AgInS₂/ZnS: Synthesis and optical properties // Opt Spectrosc. 2018.
V. 125. № 6. P. 1041–1046. https://doi.org/10.1134/S0030400X1812010X
12. Yang R., Mei L., Fan Y. ZnIn2S4-based photocatalysts for energy and environmental applications // Small Methods. 2021. V. 5. № 10. P. 2100887. https://doi.org/10.1002/smtd.202100887
13. Morselli G., Villa M., Fermi A. Luminescent copper indium sulfide (CIS) quantum dots for bioimaging applications // Nanoscale Horiz. 2021. V. 6. № 9. P. 676–695. https://doi.org/10.1039/d1nh00260k
14. Wang Y., Kavanagh S.R., Burgués-Ceballos I. Cation disorder engineering yields AgBiS₂ nanocrystals with enhanced optical absorption for efficient ultrathin solar cells // Nat Photonics. Nature Research. 2022. V. 16. № 3. P. 235–241. https://doi.org/10.1038/s41566-021-00950-4
15. Righetto M., Wang Y., Elmestekawy K.A. Cation-disorder engineering promotes efficient charge-carrier transport in AgBiS2 nanocrystal films // Advanced Materials. 2023. V. 35. № 48. P. 2305009. https://doi.org/10.1002/adma.202305009
16. Chang J.-Y., Wang G.-Q., Cheng C.-Y. Strategies for photoluminescence enhancement of AgInS₂ quantum dots and their application as bioimaging probes // J Mater Chem. 2012. V. 22. № 21. P. 10609. https://doi.org/10.1039/c2jm30679d
17. Li Y., Li Z., Ye W. Gold nanorods and graphene oxide enhanced BSA-AgInS₂ quantum dot-based photoelectrochemical sensors for detection of dopamine // Electrochim Acta. 2019. V. 295. P. 1006–1016. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.121
18. Martín-Rodríguez R., Geitenbeek R., Meijerink A. Incorporation and luminescence of Yb³⁺ in CdSe nanocrystals // J Am Chem Soc. 2013. V. 135. № 37. P. 13668–13671. https://doi.org/10.1021/ja4077414
19. Murugadoss G., Prakash J., Rajesh Kumar M. Controlled synthesis of europium-doped SnS quantum dots for ultra-fast degradation of selective industrial dyes // Catalysts. MDPI. 2022. V. 12. № 10. P. 1128. https://doi.org/10.3390/catal12101128
20. Andresen E., Islam F., Prinz C. Assessing the reproducibility and up-scaling of the synthesis of Er,Ybdoped NaYF₄-based upconverting nanoparticles and control of size, morphology, and optical properties // Sci Rep. Nature Research. 2023. V. 13. № 1. P. 2288. https://doi.org/10.1038/s41598-023-28875-8
21. Sakai R., Onishi H., Ido S. Effective Mn-doping in AgInS₂/ZnS core/shell nanocrystals for dual photoluminescent peaks // Nanomaterials. MDPI AG. 2019. V. 9. № 2. P. 263. https://doi.org/10.3390/nano9020263
22. Wang S., Zhu Y., Yang X. Photoelectrochemical detection of H₂O₂ based on flower-like CuInS₂-graphene hybrid // Electroanalysis. 2014. V. 26. № 3. P. 573–580. https://doi.org/10.1002/elan.201300515
23. Portniagin A.S., Ning J., Wang S. Monodisperse CuInS₂/CdS and CuInZnS₂/CdS core–shell nanorods with a strong near-infrared emission // Adv Opt Mater. 2022. V. 10. № 8. P. 2102590. https://doi.org/10.1002/adom.202102590
24. Yu M., Lv X., Mahmoud Idris A. Upconversion nanoparticles coupled with hierarchical ZnIn₂S₄ nanorods as a
near-infrared responsive photocatalyst for photocatalytic CO₂ reduction // J Colloid Interface Sci. 2022. V. 612. P. 782–791. https://doi.org/10.1016/j.jcis. 2021.12.197
25. Han M., Wang Z., Zhang Z. Rationally constructing intercrossed CuInS₂ nanosheets on TiO₂ nanorods for efficient photoelectrochemical water splitting // Chem Eng Sci. 2023. V. 281. P. 119151. https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119151
26. Baek W., Bootharaju M.S., Walsh K.M. Highly luminescent and catalytically active suprastructures of magic-sized semiconductor nanoclusters // Nat Mater. Nature Research. 2021. V. 20. № 5. P. 650–657. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00880-6
27. Deng F., Zhong F., Hu P. Fabrication of In-rich AgInS₂ nanoplates and nanotubes by a facile low-temperature co-precipitation strategy and their excellent visible-light photocatalytic mineralization performance // Journal of Nanoparticle Research. 2017. V. 19. № 1. P. 14. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3708-3
28. Qin C., Li S., Jiang G. Preparation of flower-like ZnO nanoparticles in a cellulose hydrogel microreactor // Bioresources. 2017. V. 12. № 2. P. 3182–3191. https://doi.org/10.15376/biores.12.2.3182-3191
29. Verma A., Chaudhary P., Singh A. ZnS nanosheets in a polyaniline matrix as metallopolymer nanohybrids for flexible and biofriendly photodetectors // ACS Appl Nano Mater. 2022. V. 5. № 4. P. 4860–4874. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c04437
30. Raevskaya A., Lesnyak V., Haubold D. A fine size selection of brightly luminescent water-soluble Ag-In-S and Ag-In-S/ZnS quantum dots // Journal of Physical Chemistry C. 2017. V. 121. № 16. P. 9032–9042. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00849
31. Miropoltsev M., Kuznetsova V., Tkach A. FRET-based analysis of AgInS₂/ZnAgInS/ZnS quantum dot recombination dynamics // Nanomaterials. MDPI AG. 2020. V. 10. № 12. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/nano10122455 32. Soares J.X., Wegner K.D., Ribeiro D.S.M. Rationally designed synthesis of bright AgInS₂/ZnS quantum dots with emission control // Nano Res. Tsinghua University Press. 2020. V. 13. № 9. P. 2438–2450. https://doi.org/10.1007/s12274-020-2876-8
33. Cichy B., Rich R., Olejniczak A. Two blinking mechanisms in highly confined AgInS₂ and AgInS₂/ZnS quantum dots evaluated by single particle spectroscopy // Nanoscale. 2016. V. 8. № 7. P. 4151–4159. https://doi.org/10.1039/c5nr07992f
34. Komarala V.K., Xie C., Wang Y. Time-resolved photoluminescence properties of CuInS₂/ZnS nanocrystals: Influence of intrinsic defects and external impurities // J Appl Phys. 2012. V. 111. № 12. P. 124314. https://doi.org/10.1063/1.4730345