References

nuc

Вестник НЯЦ РК

NNC RK Bulletin

1729-75161729-7885

Национальный ядерный центр Республики Казахстан

10.52676/1729-7885-2023-4-77-84

nuc-583

Research Article

Статьи

РАМАНОВСКИЙ АНАЛИЗ НАНОКРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА

RAMAN ANALYSIS OF NANOCRYSTALS BASED ON ZINC SELENIDE

Акылбекова

А. Д.

Akylbekova

A. D.

и.о. доцента кафедры Техническая физика, ЕНУ им. Л.Н. Гумилева

aiman88_88@mail.ru

Сарсехан

Г. Г.

Sarsekhan

G. G.

Даулетбекова

А. К.

Dauletbekova

A. K.

Баймуханов

З. К.

Baimukhanov

Z. K.

Усеинов

А. Б.

Usseinov

A. B.

НАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»КазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversitKazakhstan

2023

11012024

047784

2024

Акылбекова А.Д., Сарсехан Г.Г., Даулетбекова А.К., Баймуханов З.К., Усеинов А.Б.

Akylbekova A.D., Sarsekhan G.G., Dauletbekova A.K., Baimukhanov Z.K., Usseinov A.B.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://journals.nnc.kz/jour/article/view/583

В данной работе представлены результаты, которые были синтезированы нанокристаллами на основе селенида цинка методом термического синтеза и исследованы с помощью микро-рамановской спектроскопии до и после термического отжига при 800 ℃ и 1000 ℃. Термическая обработка синтезированных образцов проводилась в электровакуумной печи АВЕРОН, продолжительностью 60 минут. Исследованы оптические свойства образцов – фотолюминесценция (ФЛ) и спектры комбинационного рассеяния (КРС). Измерения спектров фотолюминесценции проводились при комнатной температуре с помощью спектрофлуориметра СМ2203. Спектры комбинационного рассеяния измерялись Рамановским спектрометром (NT-MDT). В спектрометре использовался твердотельный лазер с длиной волны 473 нм. Спектры комбинационного рассеяния нанокристаллов селенита цинка (ZnSeO3) до отжига показали режимы 665, 695, 825 и 973 см−1. После термического отжига наблюдалось смещение пиков в сторону понижения. Кроме того, Рамановские спектры показали LO-сдвиги с продолжительностью времени осаждения. Спектры комбинационного рассеяния селенида цинка при комнатной температуре показали основные пики в 199, 247, 498 и 501 см−1. При термической обработке ZnSe при 800 °C и 1000 °C наблюдалось расширение асимметрии для горизонтально-оптических (TO)-фононных и продольных оптических (LO)-фононных режимов с повышением температуры отжига и красными смещениями в формах линий комбинационного рассеяния света. Спектры фотолюминесценции селенида цинка в зависимости от температуры были представлены широкими полосами, расположенными на длинах волн 350–650 нм. Спектры ФЛ регистрировались при комнатной температуре от 300 до 800 нм с шагом 5 нм с помощью ксеноновой лампы. Селенид цинка перед термической обработкой показал полосы фотолюминесценции при 1,93, 2,3, 2,56, 2,75 и 2,97 эВ. Объемное излучение ZnSe на границе ближайшей полосы соответствовало полосе сильного излучения при 2,84 эВ. 3,2 эВ связан с поглощением наночастиц ZnO через край полосы. Образцы ZnSeO3 до отжига показывают одну широкую полосу фотолюминесценции в синей области электромагнитного спектра около 2,82 эВ. После термического отжига при 1000 °C наблюдается переход на более длинную волновую область с длиной волны 2,86 эВ. Поскольку термическое отжиг подходит для кристаллизации, он привел к повышению люминесцентной эффективности. 60 минут высокотемпературного обжига образцов привели к потере Se из-за воздействия температуры на содержание селенида цинка. Термическое сжигание нанокристаллов на основе селенида цинка характеризовалось увеличением FWHM и снижением интенсивности в спектрах фотолюминесценции с увеличением температуры.

This paper presents the results that were synthesized by nanocrystals based on zinc selenide by thermal synthesis and studied using micro-Raman spectroscopy before and after thermal annealing at 800 ℃ and 1000 ℃. The heat treatment of the synthesized samples was carried out in the AVERON electric vacuum furnace, lasting 60 minutes. The optical properties of the samples – photoluminescence (PL) and raman spectra – have been studied. Photoluminescence spectra were measured at room temperature using a CM2203 spectrofluorimeter. Raman spectra were measured using a Raman spectrometer (NT-MDT). The spectrometer used a solid-state laser with a wavelength of 473 nm. Raman spectra of zinc selenite (ZnSeO3) nanocrystals before annealing showed modes 665, 695, 825 and 973 cm−1. After thermal annealing, a downward shift of peaks was observed. In addition, the Raman spectra showed LO shifts with the duration of the deposition time. The Raman spectra of zinc selenide at room temperature showed the main peaks at 199, 247, 498 and 501 cm−1. During heat treatment of ZnSe at 800 °C and 1000 °C, an expansion of asymmetry was observed for horizontal optical (TO)-phonon and longitudinal optical (LO)-phonon modes with an increase in annealing temperature and redshifts in the shapes of Raman lines. The photoluminescence spectra of zinc selenide, depending on temperature, were represented by wide bands located at wavelengths of 350–650 nm. The PL spectra were recorded at room temperature from 300 to 800 nm in 5 nm increments using a xenon lamp. Zinc selenide before heat treatment showed photoluminescence bands at 1.93, 2.3, 2.56, 2.75 and 2.97 eV. The volume radiation of ZnSe at the boundary of the nearest band corresponded to the band of strong radiation at 2.84 eV. 3.2 eV is associated with the absorption of ZnO nanoparticles through the edge of the band. ZnSeO3 samples before annealing show one wide band of photoluminescence in the blue region of the electromagnetic spectrum about 2.82 eV. After thermal annealing at 1000 °C, a transition to a longer wave region with a wavelength of 2.86 eV is observed. Since thermal annealing is suitable for crystallization, it has led to an increase in luminescent efficiency. 60 minutes of high-temperature firing of the samples resulted in a loss of Se due to the effect of temperature on the zinc selenide content. Thermal combustion of zinc selenide-based nanocrystals was characterized by an increase in FWHM and a decrease in intensity in the photoluminescence spectra with increasing temperature.

трековые технологиитрековый темплэйт SiO2/Siрамановский анализоксидные полупроводникитермообработка

track technologiesSiO2/Si track templatingRaman analysisoxide semiconductorsthermal annealing

References1

Lohar, G.M., Dhaygude, H.D., Patil, R.A., Ma, Y.R. and Fulari, V.J. Studies of Properties of Fe2+ Doped Zn Senano-Needles for Photoelectrochemical Cell Application // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. –2015. – 26, – P. 8904–8914. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3572-4

Koo S.M., Fujiwara, A., Han J.P., Vogel E.M., Richter C.A. and Bonevich J.E., Shi L. C. High Inversion Current in Silicon Nanowire Field Effect Transistors // Nano Letters. – 2004. –Vol. 4. – P. 2197–2201. https://doi.org/10.1021/nl0486517

Zhang X.W., Tang Z.J., Hu D., Meng D. and Jia S.W. Nanoscale p-n Junctions Based on p-Type ZnSe Nanowires and Their Optoelectronic Applications // Materials Letters. – 2016. – Vol. 168. – P. 121–124. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.01.044

Garnett E. and Yang P.D. Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells // Nano Letters. – 2010. – Vol. 10. – P. 1082–1087. https://doi.org/10.1021/nl100161z

Reutov V.F., Dmitriev S.N. Ion-track nanotechnology // Ros. Khim. Zh. – 2002. – Vol. 46. – P. 74–80.

Huiling L., Biben W., Lijun L. Study on Raman spectra of zinc selenide nanopowders synthesized by hydrothermal method // Journal of Alloys and Compounds. – 2010, – V. 506. – P. 327–330. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.06.201

Jabri S., Amiri G., Sallet V., Souissi A., Meftah A., Galtier P. and Oueslati M. Study of the Optical Properties and Structure of ZnSe/ZnO Thin Films Grown by MOCVD with Varying Thicknesses // Physica B. – 2016. –Vol. 489. – P. 93–98. https://doi.org/10.1016/j.physb.2016.02.025

Wang C.R., Wang J., Li Q. and Yi G.C. ZnSe-Si BiCoaxial Nanowire Heterostructures // Advanced Functional Materials. – 2005. – Vol. 15. – P. 1471–1477. https://doi.org/10.1002/adfm.200400564

Zhang X.T., Liu Z., Leung Y.P., Li Q. and Hark S.K. Growth and Luminescence of Zinc-Blende-Structured ZnSe Nanowires by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition // Applied Physics Letters. – 2003. – Vol. 83. – P. 5533–5535. https://doi.org/10.1063/1.1638633

Giniyatova S., Dauletbekova A., Baimukhanov, Z., Vlasukova L., Akilbekov A., Usseinov A., Kozlovskiy A., Akylbekova A. Structure, electrical properties and luminescence of ZnO nanocrystals deposited in SiO2/Si track templates // Radiat. Meas. – 2019. – Vol. 125, P. 52– 56. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2019.04.001

Akilbekov A., Akylbekova A., Usseinov, A., Kozlovskyi A., Baymukhanov Z., Giniyatova S., Popov A.I., Dauletbekova A. Ion track template technique for fabrication of ZnSe2O5 nanocrystals // Nuclear Instrum. Methods Phys. Res. B. – 2020. – Vol. 476. P. 10–13. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2020.04.039

Dauletbekova A., Akylbekova A., Sarsekhan G., Usseinov A., Baimukhanov Z., Kozlovskiy A., Vlasukova L. A., Fadey F. Komarov, Popov A. I., Akilbekov A.T. IonTrack Template Synthesis and Characterization of ZnSeO3 Nanocrystals // Crystals. – 2022. – Vol. 12. – P. 817. https://doi.org/10.3390/cryst12060817

Акылбекова А., Шаяманов Б., Усеинов А., Даулетбекова А., Баймуханов З., Козловский А., Гиниятова Ш., Попов А.И., Байжуманов М.. Экспериментальные и теоретические исследования нанокристаллов ZnSe2O5 // Вестник ЕНУ. – 2020. – № 1(130). С. 34-43.

Akylbekova A., Shayamanov B., Useinov A., Dauletbekova A., Baymukhanov Z., Kozlovskiy A., Giniyatova Sh., Popov A.I., Bayzhumanov M.. Eksperimental'nye i teoreticheskie issledovaniya nanokristallov ZnSe2O5 // Vestnik ENU. – 2020. – No. 1(130). P. 34-43. (In Russ.)

Akylbekova A.D., Baimukhanov Z.K., Dauletbekova A.K., Creation of ZnSe nanoclusters in a silicon dioxide track template on silicon // EFRE–2022 Congress Proceedings. – P. 1192–1197. https://doi.org/10.56761/EFRE2022.R3-P-908801

Igor V. Pekov, Natalia V. Zubkova , Vasiliy O. Yapaskurt, Sergey N. Britvin , Nikita V. Chukanov, Inna S. Lykova, Evgeny G. Sidorov and Dmitry Y. Pushcharovsky. Zincomenite, ZnSeO3, a new mineral from the Tolbachik volcano, Kamchatka, Russia. Eur. // J. Mineral. – 2016. – Vol. 28(5). – P. 997–1004. https://doi.org/10.1127/ejm/2016/0028-2564

Zinc Oxide Raman Spectrum // ZnO raman spectrum | Raman for life (ramanlife.com) 15.09.2023

Бажанов Ю.В., Власов В.И., Вовк С.М., Кондратов С.В., Мартыненко Б.Г., Позняк В.Н., Ракович Н.С., Третьяков А.В. Количественный анализ газовых сред методом спектроскопии комбинационного рассеяния света // Аналитика и контроль. – 1998. – № 3-4. – C. 65–74.

Bazhanov Yu.V., Vlasov V.I., Vovk S.M., Kondratov S.V., Martynenko B.G., Poznyak V.N., Rakovich N.S., Tret'yakov A.V. Kolichestvennyy analiz gazovykh sred metodom spektroskopii kombinatsionnogo rasseyaniya sveta. // Analitika i kontrol'. – 1998. – No. 34. – P. 65–74. (In Russ.)

Zuo J., Xu C., Zhang L., Xu B., Wu R. Lattice variation and Raman spectroscopy in hierarchical heterostructures of zinc antimonate nanoislands on ZnO nanobelts // J. Raman Spectrosc. – 2001. – Vol. 32. – P. 979–985. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/2/025704

Sarigiannis D., Pack J.D., Kioseoglou G., Petrou A., Mountziaris T.J. Characterization of vapor-phase-grown ZnSe nanoparticles // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol. 80. – P. 4024–4026/ https://doi.org/10.1063/1.1481769

Schreder B., Materny A., Kiefer W., Bacher G., Forchel A., Landwehr G. Resonance Raman spectroscopy on strain relaxed CdZnSe/ZnSe quantum wires // J. Raman Spectrosc. – 2000. – Vol. 31. – P. 959–963. https://doi.org/10.1002/10974555(200011)31:11<959::AID-JRS613>3.0.CO;2-I

Lermann G., Bischof T., Materny A., Kiefer W., Kummell T., Bacher G., Forchell A., Landwehr G. Resonant microRaman investigations of the ZnSe–LO splitting in II–VI semiconductor quantum wires // J. Appl. Phys. – 1997. – Vol. 81. – P. 1446–1450. https://doi.org/10.1063/1.364181

Mountziaris T.J., Pack J.D., Stoltz S., Yu W.Y., Petrou A., Mattocks P.G., Metalorganic vapor phase epitaxy and characterization of Zn12xFexSe films // Appl. Phys. Lett. – 1996. – Vol. 68. – P. 2270. https://doi.org/10.1063/1.115881

Gong Ke, David F. Kelley, and Anne Myers Kelley, Resonance Raman Spectroscopy and Electron−Phonon Coupling in Zinc Selenide Quantum Dots // J. Phys. Chem. C. – 2016, – Vol.120. – P. 29533−29539. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b12202

Su Z., Sha J., Pan G., Liu J., Yang D., Dickinson C. and Zhou W. Temperature-Dependent Raman Scattering of Silicon Nanowires // The Journal of Physical Chemistry B. – 2006. – Vol. 110. – P. 1229-1234. https://doi.org/10.1021/jp055869o

Аминов У.А., Галаев А.А., Георгобиани А.Н., Эльтазаров Б.Т. Фотолюминесценция селенида цинка, ионно-имплантированного кислородом // Краткие сообщения по физике ФИАН. – 1996 г. – C. 11–12.

Aminov U.A., Galaev A.A., Georgobiani A.N., El'tazarov B.T. Fotolyuminestsentsiya selenida tsinka, ionnoimplantirovannogo kislorodom // Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN. – 1996 g. – P. 11–12. (In Russ.)

Zhang W.C., Wu X.L., Chen H.T., Zhu J., Huang G.S. Excitation wavelength dependence of the visible photoluminescence from amorphous ZnO granular films // J. Appl. Phys. – 2008. – Vol. 103. – P. 3718. https://doi.org/10.1063/1.2924421

Чубенко Е.Б., Бондаренко В.П., Balucani M. Видимая фотолюминесценция пленок ZnO, сформированных электрохимическим методом на кремниевых подложках // Письма в ЖТФ. – 2009. – Том 35. – Вып. 24. – С. 74–80.

Chubenko E.B., Bondarenko V.P., Balucani M. Vidimaya fotolyuminestsentsiya plenok ZnO, sformirovannykh elektrokhimicheskim metodom na kremnievykh podlozhkakh // Pis'ma v ZhTF. – 2009. – Vol. 35. – Issue 24. –P. 74–80. (In Russ.)

Kazmersky, L. L., ed. Polycrystalline and Amorphous Thin Films and Devices. – 1980. С. 135–152. New York: Academic Press.

Yamaguchi M., Yamamoto A., Kondo M. Photoluminescence of ZnSe single crystals diffused with a group-III element // J. Appl. Phys. – 1977. – Vol. 48. – P. 5237. https://doi.org/10.1063/1.323554

Kai Ou, Shenwei Wang, Miaoling Huang, Yanwei Zhang, Yu Wang, Xiaoxia Duan, Lixin Yi. Influence of thickness and annealing on photoluminescence of nanostructured ZnSe/ZnS multilayer thin films prepared by electron beam evaporation // Journal of Luminescence. – 2019/ – Vol. 199. – P. 34–38. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.03.014

Yadav K., Dwivedi Y., Jaggi N. Effect of annealing temperature on the structural and optical properties of ZnSe nanoparticles // J. Mater Sci: Mater Electron. – 2015. – Vol. 26. – P. 2198–2204. https://doi.org/10.1007/s10854-015-2668-1

Kumano H., Ashrafi A.A., Ueta A. et al. Luminescence properties of ZnO films grown on GaAs substrates by molecular-beam epitaxy excited by electron–cyclotron resonance oxygen plasma // J. Crystal Growth. – 2000. – Vol. 214–215. No. 1–2. – P. 280–283. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(00)00091-9

Gao F., Naik S.P., Sasaki Y., Okubo T. Preparation and optical property of nanosized ZnO electrochemically deposited in mesoporous silica films // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 495. – P. 68. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.303

Chen H.G., Shi J.L., Chen H.R., Yan J.N., Li Y.S., Hua Z.L., Yang Y., Yan D.S. The preparation and photoluminescence properties of ZnO-MCM-41 // Opt. Mater. – 2004. – V. 25. – P. 79. https://doi.org/10.1016/S09253467(03)00229-5

Degoda V.Ya., Sofienko A.O. Specific Features of the Luminescence and Conductivity of Zinc Selenide on Exposure to X-Ray and Optical Excitation // Semiconductors. – 2010. – Vol. 44. No. 5. – P. 568–574. https://doi.org/10.1134/S1063782610050040

The authors declare that there are no conflicts of interest present.