The Radiation Peculiarities of Nanoscale SnO2 in a Porous Matrix

Abstract

Досліджено особливості люмінесцентних властивостей ансамблю наночастинок діоксиду стануму, створеного всередині матриць шпаристого силікатного скла різного типу при різних умовах термосинтезу. Продемонстровано, що найбільша інтенсивність випромінювальної рекомбінації притаманна системі, сформованій у дрібношпаристому силікатному склі із залишковим силікагелем у шпаринах. Силікагель у цьому випадку запобігає агрегуванню наночастинок SnO2. Для усіх типів матриці енергія світіння виявилася меншою від фундаментальної енергетичної щілини SnO2, звідки зроблено висновок, що люмінесценція зазначеної системи має пастковий характер. Встановлено наявність принаймні двох типів центрів рекомбінації, що є близькими до валентної зони акцепторами. Інтенсивність люмінесценції змінюється залежно від складу прекурсору у вихідному розчині для здобутих зразків. Її максимум спостерігається при 5-7 % хлориду олова у вихідному розчині. Зазначеному режиму створення ансамблю відповідає найбільша ширина спектральних ліній люмінесценції, що притаманне найбільшій інтенсивності випромінювальної рекомбінації. Найменша ширина спектральної лінії відповідає великим концентраціям, найближчим до тих, за яких спиртовий розчин SnCl4 перетворюється на міцний клей для скла. за цих концентрацій розчин починає склеювати частинки силікагелю, вивільнюючи місце для подальшого формування агрегацій після реакції термосинтезу. У цьому випадку агрегування виявляється найінтенсивнішим. У ансамблях наночастинок SnO2, які створено у шпаристих стеклах, що збіднені силікагелем, домінує невипромінювальна рекомбінація, що є обумовленою каналами витоку крізь агрегації, які утворюються підчас термосинтезу у відсутності ізолюючої речовини. Результати дослідження можуть бути використаними для створення люмінесцентних газових сенсорів на базі SnO2.

The features of luminescent properties of an ensemble of tin dioxide nanoparticles created inside various types of porous silicate glass matrices under various thermosynthesis conditions are studied. It was demonstrated that the highest intensity of radiative recombination is inherent to the system formed in finely porous silicate glass with residual silica gel in the pores. Silica gel in this case prevents the aggregation of SnO2 nanoparticles. For the all types of matrix, the luminescence energy is less than the fundamental SnO2 energy gap, which may indicate a trap-like luminescence character of these systems. It was established an occurrence of at least two types of recombination centers – acceptors close to the valence band. The luminescence intensity varies depending on the content of the precursor in the initial solution to obtain samples. Its maximum is observed at 5-7 % tin chloride in the initial solution. The specified method of ensemble creation corresponds to the greatest width of the luminescence spectral lines, which is inherent to the intensity of radiative recombination. The smallest width of the spectral line corresponds to large concentrations close to those at which the SnCl4 alcohol solution becomes a strong glass adhesive. At these concentrations the solution already begins to glue the silica gel particles, freeing up space for the further formation of aggregations after the thermosynthesis reaction. In this case, the aggregation is intensive. In ensembles of SnO2 nanoparticles created in porous glass depleted in silica gel, nonradiative recombination predominates due to leakage channels through aggregations formed during thermosynthesis in the absence of an insulating substance. The study results can be used to create luminescent gas sensors based on SnO2.