Structural and Optical Properties of Polycrystalline ZnO Nanopowder Synthesized by Direct Precipitation Technique

Abstract

Нанопорошок ZnO був синтезований методом прямого осадження в умовах навколишнього середовища, використовуючи хлорид цинку та гідроксид натрію як первинні прекурсори. Структурні, морфологічні та оптичні властивості нанопорошку ZnO були досліджені за допомогою рентгенівської дифракції (XRD), польової скануючої електронної мікроскопії (FE-SEM), енергетично-дисперсійної спектроскопії (EDX), FT-IR, та UV-Visible спектроскопії дифузного відбиття. Аналіз XRD показує, що нанопорошок ZnO має полікристалічну природу та структуру вюрциту. Синтезований нанопорошок складається з однофазних кристалітів, високоорієнтованих у площині відбиття (101). Аналіз EDX підтверджує наявність у нанопорошку вмісту окремих Zn та O, склад яких є майже стехіометричним у пропорції. Морфологія поверхні нанопорошку ZnO була проаналізована методом FE-SEM і було встановлено, що надмірна поверхнева енергія наночастинок відповідає за випадкову орієнтацію та агломерацію. Взаємодія різних функціональних груп під час синтезу була визначена з спектру FT-IR. Наявність чітких піків поглинання та смуг для стандартних хвильових чисел підтверджує успішне утворення ZnO з різних хімічних речовин, що використовуються в синтезі. Ширина оптичної забороненої зони була оцінена за графіком Кубелка-Манка шляхом екстраполяції лінійної частини кривої на вісь енергій. Наявність частинок у нанодіапазоні та високе значення ширини оптичної забороненої зони підтримують ефект квантового утримання в нанопорошку ZnO.

ZnO nanopowder has been synthesized by direct precipitation technique at ambient conditions using zinc chloride and sodium hydroxide as primary precursors. The structural, morphological and optical properties of ZnO nanopowder have been examined by X-ray diffraction (XRD), field effect scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive spectroscopy (EDX), FT-IR, and UV-Visible diffuse reflectance spectroscopy. The XRD analysis shows that ZnO nanopowder is polycrystalline in nature and has a wurtzite structure. The synthesized nanopowder possesses single-phase crystallites which are highly oriented in (101) reflection plane. EDX analysis confirms the presence of lone Zn and O content in the nanopowder which is almost stoichiometric in the proportion. The surface morphology of ZnO nanopowder has been analyzed by FE-SEM and it was found that the excessive surface energy of the nanoparticles is responsible for the random orientation and agglomeration. The interaction of different functional groups during the synthesis has been identified from the FT-IR spectrum. The presence of distinct absorption peaks and bands at respected wavenumbers confirms the successful formation of ZnO from the different chemicals used in the synthesis. The optical bandgap has been estimated from the Kubelka-Munk plot by extrapolating the linear portion of the curve on the energy axis. The existence of the particles in the nanorange and a high optical bandgap value support the quantum confinement effect in ZnO nanopowder.