НОВЫЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛУЧЕННЫЙ МЕТОДОМ ТЕМПЛЕЙТНОГО СИНТЕЗА

В статье представлены результаты экспериментального исследования нанокристаллов диселенита цинка, полученных методом химического осаждения, который является самым простым методом в матрице треков a-SiO₂/Si-n. Образец трека SiO₂/Si был получен облучением ионами Xe с энергией 200 МэВ (Φ = 10⁸ ионов/см²) на циклотроне ДЦ-60 (Астана, Казахстан) с последующей химической обработкой фтористой кислотой (HF) в водном растворе. Перед химической обработкой была проведена ультразвуковая очистка поверхности образца изопропанолом в течение 15 минут (6.SB25-12DTS). После обработки образцы промывали деионизированной водой (18,2 МОм). Химическое осаждение темплейта трека проводилось при комнатной температуре в течение 60 минут. В качестве электролита использовался раствор, состоящий из хлорида цинка и диоксида селена (ZnCl₂ – 3,4 г/л, SeO₂ – 0,2 г/л). Поверхность образцов после осаждения была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-4800 (СЭМ). Морфологический анализ показал, что степень наполнения нанопор варьируется в зависимости от температуры. Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводился с помощью рентгеновского дифрактометра D8 ADVANCE ECO. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, химическое осаждение цинка в матрице следа a-SiO₂/Si-n привело к образованию нанокристаллов ZnSe₂O₅ с орторомбической кристаллической структурой. Экспериментальные параметры кристаллической решетки, плотность кристаллов, эффективный заряд и популяция химической связи хорошо согласуются с результатами квантово-химических расчетов и другими литературными данными, выполненными в приближении линейных комбинаций атомных орбиталей. Неэмпирические расчеты показали, что ZnSe₂O₅ имеет прямой диапазон в точке Г, а рассчитанные эффективные заряды атомов демонстрируют значительный ковалентный вклад в химические связи, образующие смешанные ионные ковалентные связи. Фотолюминесценция (ФЛ) измерялась возбуждением света с длиной волны 300 нм при комнатной температуре. ФЛ-спектры рассматривались как симбиоз люминесценции оксида цинка и селенида цинка. Спектр ФЛ химически осажденных образцов состоит из широкой полосы в диапазоне длин волн от 2,6 до 3,2 эВ при комнатной температуре.

1. Dauletbekova A., Schwartz K., Sorokin M.V., Russakova A., Baizhumanov M., Akilbekov A., Koloberdin M. F. center creation and aggregation in LiF crystals irradiated with 14N, 40Ar, and 84Kr ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2014. – Vol. 326. – P. 311–313. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.09.026

2. Dauletbekova A., Schwartz K., Sorokin M.V., Maniks J., Rusakova A., Koloberdin M., Zdorovets M. LiF crystals irradiated with 150 MeV Kr ions: Peculiarities of color center creation and thermal annealing // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2013. – Vol. 295. – P. 89–93. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2012.11.004

3. Crespillo M.L., Agulló-López F., Zucchiatti A. Cumulative approaches to track formation under swift heavy ion (SHI) irradiation: Phenomenological correlation with formation energies of Frenkel pairs // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2017. – Vol. 394. – P. 20–27. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2016.12.022

4. Ananchenko D.V., Nikiforov S.V., Kuzovkov V.N., Popov A.I., Ramazanova G.R., Batalov R.I., Bayazitov R.M., Novikov H.A. Radiation-induced defects in sapphire single crystals irradiated by a pulsed ion beam // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. – 2020. – Vol. 466. – P. 1–7.

5. Apel P.Y. Track-etching // In book: Encyclopedia of membrane science and technology. – NY., 2013. – P. 1–25.

6. Apel P. Track etching technique in membrane technology. Radiation Measurements. – 2001. – Vol. 34. – P. 559–566. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(01)00228-1

7. Hoek M.V., Tarabara V.V. (Eds.) Track-Etching. Encyclopedia of Membrane Science and Technology, Part IV. Membrane Applications, Wiley. – 2013. – P. 2390.

8. Velleman L., Shapter J. G., Losic D. Gold nanotube membranes functionalised with fluorinated thiols for selective molecular transport // Journal of Membrane Science. – 2009. – Vol. 328. – P. 121–126.

9. Muench F., Oezaslan M., Seidl T., Lauterbach S., Strasser P., Kleebe H.-J., Ensinger W. Multiple activation of ion track etched polycarbonate for the electroless synthesis of metal nanotubes // Applied Physics A. – 2011. – Vol. 105. – P. 847–854. https://doi.org/10.1007/s00339-011-6646-z

10. Enculescu I., Sima M., Enculescu M., Matei E., Toimil Molares M.E., Cornelius Th. Nickel nanotubes prepared by electroless deposition in ion track templates // Optoelectron. Adv. Mat. – 2008. – Vol 3. – P. 133–136.

11. Shao P. Gold nanotube membranes: Preparation, characterization and application for enantioseparation // J. Membr. Sci. – 2005. – Vol. 255. – P. 1–11.

12. Kumar V., Singh R., Chakarvarti S.K. Novel electroless template based synthesis of silver microtubules and their characterization. Dig. // J. Nanomater. Biostruct. – 2007. – Vol. 2. – P. 163–167.

13. Pashchanka M., Hoffmann R.C., Gurlo A., Swarbrick J.C., Khanderi J., Engstler J., Issanin A., Schneider J.J. A molecular approach to Cu doped ZnO nanorods with tunable dopant content // Dalton Trans. – 2011. – Vol. 40. – P. 4307.

14. Kadyrzhanov D.B., Zdorovets M.V., Kozlovskiy A.L., Kenzhina L.E., Petrov A.V. Modification of structural and conductive properties of Zn nanotubes by irradiation with electrons with an energy of 5 MeV // Mater. Res. Express. – 2017. – Vol. 4. – P. 125023.

15. Kluth P., Johannessena B., GloverC.J., Foran M.C. Ridgway Disorder in Au and Cu nanocrystals formed by ion implantation into thin SiO2 // Nucl. Instr. Meth. B. – 2005. – Vol. 238. – P. 285–289.

16. Ivanova Yu.A., Ivanou D.K., Fedotov A.K., Streltsov E.A., Demyanov S.E., Petrov A.V., Kaniukov E.Yu., Fink D. Electrochemical deposition of Ni and Cu onto monocrystalline n-Si (100) wafers and into nanopores in Si/SiO2 template // J Mater Sci. – 2007. – Vol. 42. – P. 9163–9169.

17. Dauletbekova A., Vlasukova L., Baimukhanov Z., Akilbekov A., Kozlovskiy A., Giniyatova Sh., Seitbayev A., Usseinov A., Akylbekova A. Synthesis of ZnO nanocrystals in SiO2/Si track template: Effect of electrodeposition parameters on structure // Physica Stat solidi B. – 2019. – Vol. 5. – P. 1800408.

18. Giniyatova Sh., 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 // Radiation measurements – 2019. – Vol. 125. – P. 52–56.

19. Ivanou D.K., Streltsov E.A., Fedotov A.K., Mazanik A.V., Fink D., Petrov A. Electrochemical deposition of PbSe and CdTe nanoparticles onto p-Si (100) wafers and into nanopores in SiO2/Si (100) structure // Thin Solid Films. – 2005. – Vol. 490. – P. 154–160.

20. Dauletbekova A.K., Alzhanova A.Y., Akilbekov A.T. et al. Synthesis of Si/SiO2/ZnO nanoporous materials using chemical and electrochemical deposition techniques // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1767, No. 1. – P. 020005-1–020005-4.

21. Akilbekov A., Balakhayeva R., Dauletbekova A. et al. Ion track template technology for fabrication of CdTe and CdO nanocrystals // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B. – 2020. – Vol. 481. – P. 30–34.

22. Akylbekova A., Dauletbekova A., Sarsekhan G., Usseinov A. et al. Ion-Track Template Synthesis and Characterization of ZnSeO3 Nanocrystals // Crystals. – 2022. – Vol. 12. – No. 817. – P. 1–-14.

23. Сарсехан Г.Ғ., Акылбекова А.Д., Баймуханов З.К., Усеинов А.Б. Формирование наноструктур оксида меди в диоксиде кремния методом электрохимического осаждения // «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников, микро- и наноэлектроники» материалы II- международной конференции – Ташкент, 2023. – С. 44-46. [Sarsekhan G., Akylbekova A.D., Baimukhanov Z.K., Usseinov A.B. Formation of copper oxide nanostructures in silicon dioxide by electrochemical deposition // “Fundamental and applied problems of physics of semiconductors, micro- and nanoelectronics” materials of II- International Conference – Tashkent, 2023. – P. 44–46. (In Russ.)]

24. Джунисбекова Д.А., Даулетбекова А.К., Баймуханов З.К., Баубекова Г.М. Акылбекова А.Д. Синтез нанопроволок орторомбического диоксида олова в трековых темплэйтах // Вестник национального ядерного центра Республики Казахстан – 2023. – № 3(95). – C. 121–127. [Junisbekova D.A., Dauletbekova A.K., Baimukhanov Z.K., Baubekova G.M. Akylbekova A.D. Synthesis of nanowires of orthorhombic tin dioxide in track templates // Bulletin of the National Nuclear Centre of the Republic of Kazakhstan – 2023. – No. 3(95). – P. 121–127. (In Russ.)]

25. Ziegler J.F., Biersack J.P., Ziegler M.D. SRIM-The Stopping and Range of Ions in Matter. – Chester, 2008. – 278 p.

26. Kaniukov E.Yu., Ustarroz J., Yakimchuk D.V. et al. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology // J. Nanotechnology. – 2016. – Vol. 27. – P. 1153051-1–1153051-13.

27. Langford J.I., Wilson A.J.C. Scherrer after sixty years: A survey and some new results in the determination of crystallite size // J. Appl. Crystallogr. – 1978. – Vol. 11. – No. 2. – P. 102–113. https://doi.org/10.1107/S0021889878012844

28. Meunier G., Bertaud M. Cristallochimie du Selenium (+IV). II. Structure Crystalline de ZnSe2O5 // Acta Crystallographica. Section B, Structuralscience. –1974. – Vol. 30. – No. 12. – Р. 2840–2843. https://doi.org/10.1107/S0567740874008272

29. Perdew J.P., Zunger A. Self-interaction correction to density functional approximations for many-electron systems // Phys. Rev. B. – 1981. – Vol. 23. – P. 5048– 5079. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048

30. Dirac P.A.M. Note on exchange phenomena in the Thomas-Fermi atom // Proc. Cambridge Phil. Soc. – 1930. – Vol. 26. – No. 3. – P. 376–385.

31. Dovesi R., Saunders V.R., Roetti R. et al. CRYSTAL14: User's Manual. – Torino: University of Torino, 2016. – 382 p.

32. Jaffe J.E., Hess A.C. Hartree-Fock study of phase changes in ZnO at high pressure // Phys. Rev. B. – 1993. – Vol. 48. – No. 11. – P. 7903–7909. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.7903

33. Towler M.D., Zicovich-Wilson C. Selenium basis set for the crystal program // https://vallico.net/mike_towler/basis_sets/Se_basis.txt. 4.04.2019.

34. Mulliken R. S. Electronic population analysis on LCAOMO molecular wave functions // J. Chem. Phys. – 1955. – Vol. 23. – No. 10. – P. 1833–1840. http://dx.doi.org/10.1063/1.1740588

35. mp – 18373: ZnSe2O5 // https://materialsproject.org/materials.25.02.2021

36. Studenikin S.A., Golego N., Cocivera M. Fabrication of green and orange photoluminescent, undoped ZnO films using spray pyrolysis // J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 84. No. 4. – P. 2287–2294. https://doi.org/10.1063/1.368295

37. 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.

38. 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.