Synthese und Untersuchung optischer Eigenschaften von Ti0.91O2/CdS-Hybridkugelstrukturen

Hintergrund

Halbleiterverbund-Nanostrukturen haben aufgrund der optimalen Anordnung von Leitungsband und Valenzband für Photovoltaikanwendungen und andere optoelektronische Geräte mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3,4]. Die räumliche Trennung von Elektron und Loch in den Typ-II-Halbleiterverbund-Nanostrukturen kann zu einer verlängerten Lebensdauer der Ladungsträger führen, die wünschenswerte optische Eigenschaften für Anwendungen wie Lichtquellen [5, 6], Laser [7,8,9] und . besitzt Photovoltaikanlagen [10, 11]. In den letzten Jahren wurde über viele Studien zum indirekten optischen Übergangseffekt (IOT) in Verbundnanostrukturen vom Typ II berichtet. Zum Beispiel wurde das IOT-Phänomen bei ultradünnen Hybridkugel-Nanostrukturen einschließlich Graphenoxid und TiO₂ . berichtet Nanoblätter [12] oder gekoppeltes Quantenpunktsystem [13]. In den letzten Jahren wurde TiO₂ ist ein wichtiges optisches Material, das aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften für den Einsatz in Photokatalyse und Solarzellen umfassend untersucht wurde, aber die große Bandlücke (3,2 eV) von TiO₂ begrenzt seine photokatalytische Eigenschaft im UV-Bereich. Um die optische Aktivität im sichtbaren Lichtbereich umfassend auszunutzen, wurde die Oberfläche von TiO₂ Mit Quantenpunkten beschichtete Nanoblätter wurden als überlegene Alternative für farbstoffsensibilisierte Solarzellen untersucht [14,15,16,17,18]. Besonders wichtig ist das Verbundsystem TiO₂ Nanoblätter, die mit CdS-Quantenpunkten (QDs) gekoppelt sind, wurden aufgrund ihrer geeigneten Bandlücke (2,4 eV) und ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen untersucht [19,20,21]. Durch die Kombination dieser Eigenschaften bietet das TiO₂ /CdS-Hybridstrukturen wurden kürzlich als einzigartiges System hervorgehoben [22,23,24,25,26]. Darüber hinaus sind die mit TiO₂ . beschichteten CdS-Nanopartikel Nanoblätter können seine optische Aktivität stark verbessern. Bisher sind die Exzitonentrennung und die Trägerextraktion die größten Engpässe bei der Erzielung hocheffizienter materialsensibilisierter Solarzellen. Jedoch grundlegende Studien zur Dynamik photoangeregter Ladungsträger basierend auf TiO₂ /CdS-Hybridkugeln sind begrenzt. Daher sind die Photolumineszenz (PL)-Eigenschaften und der zeitaufgelöste PL-Zerfall von zusammengesetzten Nanostrukturen bestehend aus alternierenden Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel werden in dieser Arbeit untersucht. Aus den PL-Spektren und zeitaufgelösten PL-Zerfallsmessungen trägt der neue indirekte optische Übergang vom Typ II dazu bei, den neuartigen Fluoreszenzemissionsmechanismus von zusammengesetzten Nanostrukturen aus Ti_0.91 . aufzuklären O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel, die sich von herkömmlichem TiO₂ . unterscheiden /CdS-Fluoreszenz-Strahlungs-Übergangssysteme. Die von Anregungsleistung und Anregungswellenlänge abhängigen PL-Spektren und zeitaufgelösten PL-Zerfallsmessungen wurden ebenfalls weiter untersucht, um die Rekombinationseigenschaften von Ladungsträgern zu bestätigen und den Konkurrenzmechanismus verschiedener Strahlungsübergangspfade in Ti_0.91 . aufzuklären O₂ /CdS-Komposit-Nanostruktur. Diese neuen Ergebnisse liefern einen nützlichen Gesichtspunkt für das Design der Ladungstrennung und Ladungsextraktion in TiO₂ und CdS-Komposit-Nanostrukturen für verschiedene optoelektronische Geräteanwendungen.

Methoden

Beispiele synthetisieren

Die Synthese von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel wurden basierend auf der schichtweisen Selbstorganisationstechnik beschrieben [27]. Das Gesamtverfahren zur Herstellung von mehrschichtigem Ti_0.91 O₂ /CdS-Komposit-Nanostrukturen wird wie folgt demonstriert:Die festen Kugeln aus Poly(methlymethacrylat) (PMMA) wurden vollständig mit der protonischen wässrigen Lösung von Polyethylenimin (PEI) verdünnt, um die gesättigte Adsorption von PEI auf den Oberflächen der festen PMMA-Kugeln sicherzustellen. Die mit PEI beschichteten PMMA-Vollkugeln werden durch Ultraschallbehandlung mit entionisiertem Wasser verdünnt; dann negativ geladenes Ti_0.91 O₂ Nanoblätter wurden dem mit PEI-Lösung beschichteten Hybrid-PMMA unter Rühren zugesetzt, das PMMA verbindet sich mit Ti_0.91 O₂ Nanoblätter aufgrund der inneren elektrostatischen Wechselwirkung der entgegengesetzten Ladung. Das obige Verfahren wurde wiederholt. Das mehrschichtige PEI/Ti_0.91 O₂ /PEI/CdS-Hybridkugel-Nanostrukturen, die auf PMMA-Kugeln abgeschieden wurden, wurden basierend auf den oben wiederholten Syntheseverfahren erhalten. Während der Mikrowellenbestrahlung wurde die PEI-Einheit entfernt und PMMA-Partikel zersetzt. Nach der Reaktion Hohlkugeln bestehend aus alternierendem Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-QDs wurden erhalten, und kleine PMMA-Rückstände wurden mit Tetrahydrofuran (THF) entfernt. Schließlich die Hybridhohlkugeln mit mehrlagigem Ti_0.91 O₂ /CdS-Nanostrukturen wurden erhalten.

Versuchsapparat

Die Beispielbilder von festem Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln und hohles Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bzw. Rasterelektronenmikroskopie (REM) gemessen. Die entsprechenden Mengen an festem Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln und hohles Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln wurden mit entionisiertem Wasser verdünnt, um niedrigere Probendichten aufzuweisen. Verdünnte Proben wurden auf einem Siliziumdioxid-Deckglas schleuderbeschichtet, um dünne Filme für die optische Messung mit der 266- und 400-nm-Anregung vorzubereiten. Die optischen Messungen aller Proben wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Für PL-Spektralmessungen wurde der 800-nm-ps-Ti:Saphir-Laser mit einer Wiederholungsrate von 76 MHz verwendet, um den Pulslaser mit 266 nm und 400 nm Wellenlänge basierend auf der Konversionstechnik der zweiten bzw. dritten Harmonischen zu erzeugen. Ein zweihundertsechsundsechzig Nanometer und 400 nm Pulslaser mit einem Einfallswinkel von ~ 45° relativ zur vertikalen Richtung wurde mit einer Leistungsdichte von ~ 100 W/cm ² . auf die Probenoberfläche fokussiert . Der PL aus den Proben wurde vertikal durch ein ×60-Objektiv gesammelt und an das Spektrometer gesendet, und die Emissions-PL-Spektren wurden mit einem Monochromator (Acton SP-2500i, 0,5 m, 150 Linien mm ^− 1 .) aufgenommen Gitter, geflammt bei 500 nm), ausgestattet mit einer flüssig-stickstoffgekühlten CCD-Kamera (CCD-Kamera) von Princeton Instruments. Für zeitaufgelöste PL-Zerfallsmessungen wurde der PL aus den Proben mit demselben Objektiv gesammelt und dann durch das Einzelphotonen-Zählsystem mit der Zeitauflösung von 250 ps erfasst. Darüber hinaus wurden die entsprechenden 450-, 500- und 550-nm-Bandpassfilter mit einer Bandbreite von 10 nm verwendet, um die PL-Lebensdauer der verschiedenen Wellenlängen effektiv zu messen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt die Energieniveaus von Ti_0,91 O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel, und die CdS-Nanopartikel haben ein höheres Leitungsbandniveau im Vergleich zu Ti_0.91 O₂ Nanoblätter. Die rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme der Hybridkugeln Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel mit mehreren hundert Nanometern Länge und glatten Oberflächen sind in Abb. 1b dargestellt. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bilder des festen Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln und hohles Ti_0.91 O₂ /CdS-Kompositkugel-Nanostrukturen sind in Abb. 1c bzw. d gezeigt. Abbildung 1a zeigt die XRD-Muster von reinem PMMA, CdS und Ti_0.91 O₂ /CdS-Film. Im Vergleich zu reinem PMMA, Ti_0.91 O₂ /CdS- und CdS-Film weist neue Peaks 2 und 4 auf, die das Vorliegen der kubischen Phase von CdS anzeigen. Die Zusammensetzung von Ti_0.91 O₂ /CdS wurde durch e-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) identifiziert, wie in Abb. 1f gezeigt. Daher sind Hohlkugeln aus alternierendem Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-QDs wurden erhalten. Um die Synthese von Ti_0.91 . weiter zu verifizieren O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel basierend auf der Schicht-für-Schicht-Selbstorganisationstechnik, den Absorptionsspektren und Raman-Spektren von Ti_0.91 O₂ und Ti_0.91 O₂ /CdS werden in der zusätzlichen Datei 1 angezeigt:Abbildung S1 bzw. Abbildung S2. Verglichen mit Raman-Spektren von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter, die Raman-Spektren von Ti_0.91 O₂ /CdS demonstrieren eine Kombination von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel.

a Energiebanddiagramm von Hybridkugeln Ti_0.91 O₂ und CdS. b Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen von Ti_0.91 O₂ /CdS. c Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)-Bilder des festen Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln. d Hohles Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln. e XRD von PMMA, CdS und Ti_0.91 O₂ /CdS. f XPS-Spektrum von Ti_0.91 O₂ /CdS

Die Photolumineszenz (PL)-Spektren von Ti_0.91 O₂ (schwarz), CdS (rot) und Ti_0.91 O₂ /CdS (schwarz), angeregt bei 266 nm, sind in Abb. 2a gezeigt. Die Fluoreszenzpeaks von Ti_0.91 O₂ und CdS liegen bei etwa 450 nm bzw. 530 nm bei der 266 nm-Anregung. Da die Bandlückenenergie von TiO₂ 3,2 eV beträgt, sollten die in Fig. 2a beobachteten rotverschobenen PL-Spektren auf Defektniveaus zurückzuführen sein, die innerhalb der Bandlücke von Ti_0,91 . erzeugt werden O₂ so dass Löcher im Ti_0.91 . erzeugt werden O₂ Valenzband kann durch die nichtstrahlenden Kanäle auf verschiedene Defektzustandsniveaus relaxieren und dann mit den Elektronen von Ti_0.91 . rekombinieren O₂ , was zu der entsprechenden optischen Emission im Defektzustand führt. Unter der 266 nm-Anregung weist der Fluoreszenzemissionspeak von CdS-Nanopartikeln bei etwa 530 nm eine kleinere Energiebandlücke auf als die von CdS (2,48 eV). Wir nehmen an, dass in den CdS-Nanopartikeln der strahlungslose Übergang angeregter Elektronen vom unteren Leitungsband zu unterschiedlichen Defektzustandsniveaus stattfindet. Der Fluoreszenzemissionspeak verschiebt sich jedoch auf 500 nm, wenn der Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstruktur, angeregt bei 266 nm. Wenn wir den Beitrag von entweder Ti_0.91 . ausschließen O₂ oder CdS zur blauverschobenen Spektrenemission; dann führt dieser Fluoreszenzmechanismus zu einem indirekten optischen Übergang (IOT) in der hybriden Grenzfläche von Ti_0.91 O₂ /CdS-System. Im traditionellen Typ II TiO₂ /CdS-Komposit-Nanostruktur, Lichtanregung von TiO₂ und CdS überträgt Elektronen vom höheren Leitungsband von CdS in das niedrigere Leitungsband von TiO₂ und erzeugte Löcher aus dem unteren Werteband von TiO₂ zum höherwertigen Band der CdS-Nanopartikel. Wenn die gesamte PL-Emission von Ti_0.91 O₂ /CdS-Hohlkugeln von CdS-Nanopartikeln stammen, sollten wir den schnelleren PL-Zerfallsprozess beobachten, der durch einen strahlungslosen Zerfallskanal verursacht wird, den die Elektronen vom Leitungsband der CdS-Nanopartikel in das Leitungsband von TiO₂ übertragen aufgrund des fluoreszenzlöschenden Effekts wie bei traditionellem TiO₂ /CdS-System. Daher wurde ein neuer Elektronentransfermechanismus für das gegenwärtige Ti_0.91 . vorgeschlagen O₂ /CdS-Hybrid-Nanostruktur-Hohlkugelsystem:die Elektronen im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ rekombinieren mit Löchern im Valenzband von CdS-Nanopartikeln; dann tritt die spektrverschobene Emission in diesem Ti_0.91 . auf O₂ /CdS-Verbundmaterial.

a PL-Spektren des Ti_0.91 O₂ (schwarz), CdS (rot) und Ti_0.91 O₂ /CdS (blau) Samples angeregt bei 266 nm. b PL-Zerfallskurven des Ti_0.91 O₂ (schwarz), CdS (rot) und Ti_0.91 O₂ /CdS (blau) Samples mit der 266 nm-Anregung

Um den Ladungstransfer zwischen dem gegenwärtigen Ti_0.91 . besser zu untersuchen O₂ Nanoblätter und CdS-Nanopartikel wurden transiente zeitaufgelöste PL-Zerfallsmessungen an den bei 266 nm angeregten Proben durchgeführt. Die PL-Zerfallskurven lassen sich gut an die biexponentielle Funktion in der Form f . anpassen (t ) = A ₁ exp(−t /τ ₁ ) + A ₂ exp(−t /τ ₂ ). Die durchschnittliche Lebensdauer τ wird durch die Form τ . berechnet = (A ₁ τ ₁ ² + A ₂ τ ₂ ² )/(A ₁ τ ₁ + A ₂ τ ₂ ) und alle späteren Lebensdauerberechnungen basieren auf dem Formular. Daher ist die durchschnittliche PL-Lebensdauer für Ti_0,91 O₂ beträgt 0,43 ns und die durchschnittliche PL-Lebensdauer für CdS beträgt 0,35 ns, wie in Abb. 2b gezeigt. Noch wichtiger ist die durchschnittliche PL-Lebensdauer von Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstrukturen sind bemerkenswert auf 3,75 ns erhöht, verglichen mit der oben erwähnten PL-Lebensdauer von nur Ti_0,91 O₂ Nanoblätter oder CdS-Nanopartikel. Basierend auf den neuartigen Ladungstransfermechanismen in Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridgrenzflächen, die Elektronen bleiben im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter, aber die Löcher können entweder auf Defektzustandsniveaus relaxieren oder auf die Valenzbandniveaus von CdS-Nanopartikeln übertragen werden. Aufgrund der geringeren Symmetrie am Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridschnittstelle, die optische Rekombination aus den Elektronen im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ und die Löcher im Wertebandniveau von CdS bewirken eine verlängerte PL-Lebensdauer. Die Versuchsergebnisse weisen jedoch auch auf eine schwache optische Aktivität von Ti_0.91 . hin O₂ /CdS-Hohlkugel-Nanostrukturen unter 400-nm-Laseranregung und keine offensichtliche Sensibilisierung von CdS auf Ti_0.91 O₂ . Dies bedeutet, dass die Elektronen im Leitungsband von CdS eher zur Rekombination mit Löchern im Werteband von CdS neigen, als in das Leitungsband von Ti_0.91 . zu wechseln O₂ Nanoblätter. Diese Experimentergebnisse zeigen, dass der Unterschied zur traditionellen Typ-II-Fluoreszenz gut durch die neue räumliche Trennung von Elektronen und Löchern des Typs II über das Ti_0.91 . erklärt werden kann O₂ /CdS-Hybridschnittstelle. Um den Ladungstransfer und die elektronische Wechselwirkung zwischen Ti_0.91 . besser vergleichen zu können O₂ /CdS und TiO₂ /CdS-, PL-Spektren und transiente zeitaufgelöste PL-Zerfallsmessungen wurden an den Proben Ti_0.91 . durchgeführt O₂ /CdS und TiO₂ /CdS angeregt bei 266 nm Laserwellenlänge, wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S3(a). Im Vergleich zu TiO₂ /CdS-Kugeln, der Emissionspeak von Ti_0.91 O₂ /CdS-Kugeln zeigen den gleichen Emissionspeak. Die bei Ti_0.91 . beobachtete verlängerte Zerfallslebensdauer O₂ /CdS-Hohlkugeln zeigt, dass die Zerfallsdynamik für Ti_0.91 O₂ /CdS-Hohlkugeln unterscheiden sich grundlegend von herkömmlichem TiO₂ /CdS-System.

Um den interaktiven Ladungstransfermechanismus zwischen CdS und Ti_0.91 . weiter zu untersuchen O₂ Hybridstruktur vergleichen wir die PL-Spektren und die PL-Zerfallseigenschaften von hohlem und massivem Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridkugeln mit 266- bzw. 400 nm-Anregung. Wenn Ti_0,91 O₂ /CdS wird bei 266 nm angeregt, die Elektronen bleiben letztendlich im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ , und die Löcher lassen sich auf das Werteband von CdS-Nanopartikeln übertragen. Die optische Rekombination zwischen Elektronen im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ , und Löcher im Wertebereich von CdS sind erlaubt. Allerdings ist der Ti_0.91 O₂ /CdS-Vollkugeln enthalten das PMMA-Templat und die PEI-Einheit; somit behindern diese isolierenden organischen Tenside den Ladungstransport im Ti_0.91 O₂ /CdS-Schnittstelle. Aufgrund der elektronischen Kopplung zwischen CdS und Ti_0.91 O₂ Hybridstruktur kann die Ladungsträgermobilität durch Entfernen der organischen Tenside von der Oberfläche der Quantenpunkte (QDs) stark verbessert werden. Die Photolumineszenz(PL)-Spektren und die PL-Zerfallslebensdauer sind in Abb. 3a bzw. b gezeigt. Die PL-Peaks von Ti_0,91 O₂ /CdS-Vollkugeln waren im Vergleich zu Ti_0.91 . rotverschoben O₂ /CdS-Hohlkugel, und die durchschnittliche PL-Lebensdauer beträgt 4,25 ns (Vollkugeln) und 3,69 ns (Hohlkugeln), was die photoangeregten Löcher im Valenzband von Ti_0,91 . impliziert O₂ schwieriger in das Valenzband von CdS in festen Hybridstrukturen zu injizieren. Die PMMA-Template und PEI wurden vollständig eliminiert, um die Interkonnektivität zwischen alternierenden Nanoblättern aus CdS und Ti_0.91 . zu verbessern O₂ und führen zu einem verstärkten PL-Quenching-Phänomen und einer verkürzten PL-Zerfallslebensdauer. Somit ist der PL-Löscheffekt in Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstrukturen wird der Elektronendissoziation zugeschrieben, da der Bleichzerfall des Oberflächeneinfangs das effiziente PL-Quenching-Phänomen nicht erklärt. Der Ladungstrennungsprozess in Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstrukturen erfolgen über den Lochtransfer aus dem Valenzband von Ti_0.91 O₂ zum Valenzband von CdS-Nanokristallen basierend auf dem neuen indirekten optischen Übergang vom Typ II in einem dichtgepackten Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybrid-Nanostrukturen. Somit wurde die Lebensdauer der Ladungsträgerrekombination durch indirekten optischen Übergang von 4,25 ns (feste Kugel) auf 3,69 ns (hohle Kugel) verringert.

a PL-Spektren von hohlem Ti_0.91 O₂ /CdS (schwarz) und festes Ti_0.91 O₂ /CdS (rot) Samples angeregt bei 266 nm. b PL-Zerfallskurven von hohlem Ti_0.91 O₂ /CdS (schwarz) und festes Ti_0.91 O₂ /CdS (rot) Samples mit der 266 nm-Anregung. c PL-Spektren von hohlem Ti_0.91 O₂ /CdS (schwarz) und festes Ti_0.91 O₂ /CdS (rot) Samples angeregt bei 400 nm. d PL-Zerfallskurven von hohlem Ti_0.91 O₂ /CdS (schwarz) und festes Ti_0.91 O₂ /CdS-Samples (rot) mit der 400-nm-Anregung

Durch Abstimmung der Anregungswellenlängen auf 400 nm bei höherer Anregungsleistung wurden die PL-Spektren und die vorübergehende zeitaufgelöste PL-Zerfallsdynamik gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die schwachen PL-Spektren mit der 10-fachen integrierten Zeit in Fig. 3c und die durchschnittliche PL-Lebensdauer (0,59 ns) von Ti_0,91 . gezeigt sind O₂ /CdS-Feststoffhybridstrukturen ist kürzer als die PL-Lebensdauer (0,45 ns) von Ti_0,91 O₂ /CdS-Hohlhybridstrukturen wie in Abb. 3d gezeigt, was darauf hindeutet, dass CdS eine höhere Elektronentransferrate in Richtung Ti_0.91 . aufweist O₂ nach dem traditionellen Typ II Ti_0.91 O₂ /CdS-Heterostruktur. Verglichen mit dem Fall einer 266-nm-Anregung zeigt die kürzere PL-Lebensdauer bei einer 400-nm-Anregung, dass der PL-Löscheffekt aufgrund der optischen Rekombination zwischen Elektronen und Löchern im Ti_0.91 . weiter verstärkt wird O₂ /CdS-System oder die Verschwendung von Löchern für Photokorrosion in den CdS-Nanopartikeln. Daher ist der Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridhohlkugeln zeigen eine schwache optische Aktivität unter einer 400-nm-Laseranregung, und im Ti_0.91 . tritt keine offensichtliche Sensibilisierung auf O₂ /CdS-Hybridkugeln.

Um die Ladungsträgerrelaxationspfade in Ti_0.91 . weiter zu untersuchen O₂ /CdS-Hohlhybridschnittstelle, die von der Anregungsintensität abhängigen PL-Spektren im Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybrid-Kugelstrukturen wurden unter einer 266-nm-Laseranregung untersucht. Bei einer niedrigen Anregungsintensität von 266 nm haben wir zuerst beobachtet, dass der 475 nm-Peak im PL-Spektrum dominant ist. Mit zunehmender Anregungsleistung variierte die entsprechende PL-Spektrenintensität als Funktion der Anregungsleistung im Bereich von 300 bis 1000 W/cm ² und die zentrale Spitzenwellenlänge der PL-Spektrumverschiebung von 475 auf 560 nm, wie in Fig. 4a gezeigt. Wir haben versuchsweise einen Elektronentransfer vom Leitungsband von Ti_0.91 . zugeschrieben O₂ zum Leitungsband von CdS, wenn Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybrid-Nanostrukturen wurden durch einen 266-nm-Laser mit höherer Leistung angeregt; dann erfolgt die Elektron-Loch-Rekombination zwischen Elektronen im Leitungsband von CdS und Löchern im Valenzband oder dem Defektniveau von CdS-Nanopartikeln gemäß dem Typ-I-Rekombinationsmechanismus, wie in Abb. 4b gezeigt. Diese variierten PL-Spektren zeigen, dass die Rotverschiebung mit zunehmender Anregungsleistung auftritt. Solche Ergebnisse bestätigen die unterschiedliche Natur und Herkunft der Emissionswellenlänge bei 475 bzw. 560 nm. Somit zeigt die Emissionswellenlänge von 475 nm die Emissionseigenschaft vom Typ II an und die Emissionswellenlänge von 560 nm spiegelt die Emissionseigenschaft vom Typ I wider. Die mit der Anregungsleistung verschobenen Spektren weisen auf den Konkurrenzmechanismus zwischen räumlich direkten und indirekten Rekombinationskanälen in Ti_0.91 . hin O₂ /CdS-Verbundschnittstellen. Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Anregungsleistung werden mehr Elektronen mit hoher Anregungsleistung aus dem Leitungsband von Ti_0.91 . übertragen O₂ zum Leitungsband von CdS-Nanopartikeln, was zu einem stark ansteigenden Intensitätsverhältnis zwischen der zentralen Wellenlänge 560 und 475 nm führt, und das Photolumineszenz-Intensitätsverhältnis von zwei Emissionspeaks kann bis zu 3,5 erreichen, wie in Abb. 4c gezeigt. Die schwache Photolumineszenzintensität impliziert jedoch, dass der Elektronentransfer aus dem Leitungsband von Ti_0.91 O₂ zum Leitungsband von CdS-Nanopartikeln spielt beim Auftreten der PL-Emission nur eine untergeordnete Rolle.

a Abhängigkeit der Anregungsleistung von PL-Spektren. b Elektronentransfer aus dem Leitungsband von Ti_0.91 O₂ zu CdS mit Hochleistungsanregung. c Das integrierte PL-Intensitätsverhältnis zwischen der zentralen Wellenlänge 560 und 475 nm. d Die zeitaufgelösten PL-Messungen für 450, 500 und 550 nm mit 266 nm Anregungswellenlänge

Um die beiden Arten von Übergangsmechanismen mit unterschiedlicher Anregungsleistung im Ti_0.91 . weiter zu verifizieren O₂ /CdS-Hohlkugeln wurde das Sondierungsexperiment zur wellenlängenabhängigen zeitaufgelösten Photolumineszenz (TRPL) mit unterschiedlicher Anregungsleistungsdichte durchgeführt. Es ist geeignet, den Ladungsträgertransfer oder den Elektron-Loch-Rekombinationsprozess im Ti_0.91 . zu überwachen O₂ /CdS-Schnittstelle. Die TRPL-Lebensdauer von Ti_0.91 O₂ /CdS wurden mit unterschiedlichen Sondenwellenlängen bei 450, 500 bzw. 550 nm gemessen. Und die entsprechenden 450-, 500- und 550-nm-Bandpassfilter mit einer Bandbreite von 10 nm wurden verwendet. Die TRPL ergeben längere Zerfallslebensdauern (3,72 ns) bei kürzerer Wellenlänge (450 nm) im Ti_0,91 O₂ /CdS-Grenzfläche wie in Fig. 4d gezeigt aufgrund der räumlichen Trennung der Ladungsträger in den Verbundstrukturen mit den Elektronen im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter und Löcher im Valenzband von CdS-Nanopartikeln. Diese Typ-II-Hybridstrukturen reduzieren die PL-Intensität aufgrund der kleineren Überlappung zwischen Elektronen- und Lochwellenfunktionen und erhöhen folglich die PL-Rekombinationslebensdauer. Die PL-Lebensdauer (1,61 ns) bei längeren Wellenlängen (550 nm) wird jedoch schneller, da die Wellenfunktionsüberlappung zwischen dem Elektron des Leitungsbandes (CB) und dem Loch des Valenzbandes (VB) in den CdS-Nanopartikeln verbessert wird, wie in Abb. . gezeigt . 4d. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die photoangeregten Ladungsträger im Ti_0.91 O₂ /CdS leisten einen wesentlichen Beitrag zu den längeren PL-Lebenszeiten. Dieser Beweis bestätigt weiter, dass die dominante PL von der Rekombination zwischen dem Elektron im CB von Ti_0.91 . stammt O₂ und Loch im VB in von CdS-Nanopartikeln. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Elektronen im Leitungsband von Ti_0.91 O₂ Nanoblätter rekombinieren mit Löchern im Valenzband von CdS-Nanopartikeln durch indirekten optischen Übergang, der sich von herkömmlichem TiO₂ . unterscheidet /CdS-System. Diese verlängerte Trägerlebensdauer macht das Ti_0.91 O₂ /CdS-Komposit-Nanostruktur am besten geeignet für Photovoltaik-Anwendungen. Um die Fähigkeit der synthetischen Proben zu charakterisieren, wurden lineare J-V-Kurven aufgezeichnet, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S4 gezeigt. Die starke Verbesserung des Photostroms nach der CdS-Sensibilisierung zeigt den Vorteil des Ti_0.91 O₂ /CdS im Vergleich zum Ti_0.91 O₂ mit Lichtbeleuchtung. Daher führt eine höhere Beladung des Photosensibilisators zu einer höheren Photostromdichte.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir neuartige Eigenschaften des indirekten optischen Übergangs (IOT) im mehrschichtigen PEI/Ti_0.91 . entdeckt O₂ /PEI/CdS-Hybrid-Nanostrukturen aus den PL-Spektren und zeitaufgelösten PL-Messungen. Aus der PL-Spektral- und TRPL-Messung geht die Rot-zu-Blau-Shift-Lichtemission in diesem neuartigen Verbundmaterial hervor. Und verlängerte Photolumineszenz-Lebensdauer von Ti_0.91 O₂ /CdS-Komposit-Nanostruktur im Vergleich zu nur Ti_0.91 O₂ Kugeln oder CdS-Nanopartikel gefunden. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen Photolumineszenz-Rekombinationsmechanismus aufgrund der optischen Rekombination zwischen Löchern im Wertebandniveau von CdS und Elektronen im Leitungsbandniveau von Ti_0.91 O₂ das ist anders als herkömmliches TiO₂ /CdS-Verbundsystem. Durch Abstimmung der Anregungswellenlängen und der Anregungsleistung werden die PL-Spektren und die PL-Lebensdauer von Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstrukturen zeigen ein von Anregungswellenlänge und Anregungsleistung abhängiges Verhalten. Aus den Bandlückenkonfigurationen, dem IOT für Ti_0.91 O₂ /CdS-Hybridstruktur, die zu einer verlängerten Ladungsträgerlebensdauer führt, sorgt für die Ladungsträgertrennung und -extraktion für die wichtigen Anwendungen in Photovoltaiksystemen.

Abkürzungen

IOT:

Indirekter optischer Übergang

PL:

Photolumineszenz

PMMA:

Polymethylmethacrylat

QDs:

Quantenpunkte

TRPL:

Zeitaufgelöste Photolumineszenz