钇掺入对氧化铬（Cr2O3）纳米颗粒的结构、形态和线性光学性质的影响

《Journal of Luminescence》：Influence of Yttrium Incorporation on the Structural, Morphological, and Linear Optical Properties of Chromium Oxide (Cr2O3) Nanoparticles

　　

Kajol Taiwade | Vivek Chandel | Madhulika Meena | Fozia Z. Haque

光学纳米材料实验室，物理系，毛拉纳·阿扎德国立技术学院，博帕尔，中央邦，印度，462003

摘要

通过共沉淀法合成了掺杂过渡金属（钇）的氧化铬纳米颗粒（Cr₂O₃ NPs）。使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射和紫外-可见-近红外光谱分别研究了样品的表面形貌、元素分析、键振动、结构和光学性质。分散能参数采用Wemple和DiDomenico（WDD）单振子模型计算得出。还评估了其他光学常数，如折射率和消光系数。Tauc图用于评估光学带隙。结果表明，随着钇掺杂浓度的增加（最高达5wt%），折射率升高，而光学带隙减小，这可归因于无序度和缺陷态的增加。振荡器能量（E_o）与系统的凝聚能相关，在掺钇量达到5wt%时也有所降低。光致发光分析显示发射强度降低，表明电子-空穴复合受到抑制，电荷分离效率提高。这些发现表明，钇掺杂有效地调节了Cr₂O₃ NPs的光学性质，使其成为光子和光电器件应用中的有希望的候选材料。

引言

在纳米技术领域，金属氧化物半导体因其广泛应用于生物传感器、生物医学设备、超级电容器、光催化、发光材料和激光器件以及太阳能电池而受到广泛关注[1]。它们出色的光学、电学和结构特性使其非常适合先进的技术应用[2]。其中，过渡金属氧化物因其可调的物理和化学特性而成为关键材料[3]。

特别是纳米级的氧化铬（Cr₂O₃）由于其高比表面积、化学惰性、热稳定性和环境稳定性而备受关注[4]。氧化铬（Cr₂O₃）是一种II-VI族化合物半导体，具有菱形或六方晶体结构，报道的宽带隙约为3.3 eV，适用于多种创新应用，从而引发了人们对这类系统的极大兴趣。氧化铬存在多种氧化态和相，包括CrO、CrO₂、CrO₃、Cr₂O₂、Cr₂O₃、Cr₃O₄和Cr₈O₁₁。此外，它是所有氧化铬中热力学最稳定的相，这使其在保护涂层、催化系统和高温应用中得到广泛应用[5]。

制备Cr₂O₃ NPs采用了多种物理或化学合成方法，如微波辐照、无溶剂技术、共沉淀、光化学方法、基于溶液的湿化学路线、水热过程、热蒸发、固态热分解、电子束蒸发、火焰熔融和溶胶-凝胶技术[6]。其中，共沉淀法因其简单性、成本效益和低处理温度而受到广泛青睐。该方法能够很好地控制化学计量比和颗粒大小，同时适当的沉淀剂和包覆剂的使用可以调节晶粒大小和形貌。然而，该方法也存在一些局限性，如颗粒团聚以及需要反复洗涤、干燥和煅烧步骤以获得纯相材料[7]、[8]。

在过渡金属氧化物（TMOs）中掺杂已成为调节其结构、电子和光学性质以增强功能的重要策略。引入合适的掺杂剂可以改变载流子浓度、带结构和缺陷态，从而提高这些材料在光电子和光子应用中的性能[9]、[10]。在各种掺杂剂中，钇（Y）因能够替代菱形Cr₂O₃晶格中的Cr³⁺离子而受到特别关注。由于钇和铬的价态相同（均为+3），因此无需补偿缺陷即可保持电荷中性。然而，钇³⁺的离子半径（约0.90?）大于铬³⁺（约0.62?），导致替代时产生晶格畸变和应变。这种相互作用机制使得结构和光学性质的有效调节成为可能。此外，先前的研究表明，掺钇可以增强发光行为和发射效率，从而提高材料的整体功能性能[11]。此外，钇掺杂还能在宽光谱范围内灵活调节结构和光学特性。这些特性使得Cr₂O₃-Y成为先进光子和光电子应用的有希望的候选材料。

尽管取得了这些进展，现有的关于掺杂Cr₂O₃系统的研究仍存在一些局限性。大多数研究主要集中在结构表征或基本光学性质上，没有建立结构、振动和高级光学参数之间的全面关联。此外，许多研究仅限于有限的掺杂浓度范围，这限制了对掺杂引起的结构演变、应变行为和缺陷形成机制的理解。因此，对光学分散参数及相关常数（如折射率、消光系数、介电常数、光学电导率、Urbach能量和光学电负性）的详细评估仍然不足。这些不足阻碍了对结构-性质关系的全面理解，并限制了Cr₂O₃的有效利用。

在此背景下，本研究重点使用共沉淀法合成了不同浓度（1%、3%、5%、7%和9%）的纯Cr₂O₃ NPs和掺钇Cr₂O₃ NPs。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征了这些纳米颗粒的结构和形貌性质，同时在室温下使用紫外-可见光谱（UV-Vis）和光致发光（PL）研究了其光学性质。

本研究的新颖之处在于通过Wemple–Di Domenico单振子模型全面评估了掺钇Cr₂O₃ NPs的光学分散参数，并得出了单振子能量（E_o）、分散能（E_d）和静态介电常数（ε）的值。通过在广泛的掺杂范围内关联结构、振动和线性光学性质，本研究提供了对结构-性质关系的更深入理解，并确定了潜在的光电子和光伏应用（包括太阳能电池的窗口层、吸收层和界面层）的最佳组成。

章节片段

材料

硝酸铬九水合物（Cr(NO₃)₃·9H₂O）、硝酸钇六水合物（Y(NO₃)₃·6H₂O）、蒸馏水和氢氧化铵（NH₄OH）的纯度均为99.98%，均来自CDH，未经额外纯化直接使用。

合成

采用共沉淀法合成了纯Cr₂O₃ NPs和掺钇Cr₂O₃ NPs。首先，在恒定磁力搅拌下，将2克（7.5 mmol）硝酸铬九水合物（Cr(NO₃)₃·9H₂O溶解在50毫升蒸馏水中

X射线衍射

图2（a）展示了不同钇掺杂浓度（1%、3%、5%、7%和9%）的Cr₂O₃ NPs的强度与2θ的关系图。从合成的纳米颗粒获得的衍射图案与Joint Committee on Powder Diffraction Standards（JCPDS）提供的标准参考数据（卡片编号74-0326）通过X’Pert Highscore软件进行了比较，数据显示两者有很强的相关性[12]。退火样品显示出强度峰

结论

我们通过简单的共沉淀法成功合成了纯Cr₂O₃ NPs和掺钇Cr₂O₃ NPs。晶粒大小根据Scherrer公式计算得出，分别为29.93 nm（纯）、27.97 nm（1 wt%）、21.55 nm（3 wt%）、14.09 nm（5 wt%）和20.39 nm（9 wt%）。FESEM结果显示，Cr₂O₃ NPs主要呈球形。纯Cr₂O₃ NPs和掺钇Cr₂O₃ NPs的FTIR分析清楚地显示了不同的特征

CRediT作者贡献声明

Madhulika Meena：撰写 – 审稿与编辑。Fozia Z. Haque：验证、监督、资源提供。Kajol Taiwade：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论设计、实验研究、数据管理、概念化。Vivek Chandel：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理

未引用参考文献

[72]。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

数据可用性声明

数据可根据请求提供。

资助

本研究未接受任何外部资助。

利益冲突声明

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