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Jul 11, 2023

Las nanoestructuras de óxido de zinc mejoraron la fotoluminiscencia por el carbono

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9704 (2023) Cite este artículo 456 Accesos Detalles de métricas Las heteroestructuras de ZnO/negro de humo se sintetizaron utilizando un método sol-gel y se cristalizaron mediante

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9704 (2023) Citar este artículo

456 Accesos

Detalles de métricas

Las heteroestructuras de ZnO / negro de carbón se sintetizaron utilizando un método sol-gel y se cristalizaron mediante recocido a 500 ° C en 2 × 10-2 Torr durante 10 minutos. Las estructuras cristalinas y los modos de vibración de unión se determinaron mediante espectrometría XRD, HRTEM y Raman. Sus morfologías superficiales fueron observadas por la FESEM. El patrón Moiré que se observa en las imágenes HRTEM confirma que las nanopartículas de negro de humo estaban cubiertas por cristales de ZnO. Las mediciones de absortancia óptica revelaron que la banda prohibida óptica de las heteroestructuras de ZnO/negro de humo aumentó de 2,33 a 2,98 eV a medida que el contenido de nanopartículas de negro de humo aumenta de 0 a 8,33 × 10-3 mol debido al efecto Burstein-Moss. Las intensidades de fotoluminiscencia en el borde de la banda cercana y de la luz violeta y azul aumentaron en factores de aproximadamente 68,3, 62,8 y 56,8, respectivamente, cuando el contenido de negro de carbón es de 2,03 × 10-3 mol. Este trabajo revela que el contenido adecuado de nanopartículas de negro de humo aumenta las intensidades de PL de los cristales de ZnO en el régimen de longitud de onda corta, lo que respalda su posible aplicación en los dispositivos emisores de luz.

El óxido de zinc es un material prometedor para su uso en dispositivos emisores de luz1, fotocatalizadores2, sensores de gas3 y células solares4, debido a su propiedad semiconductora de tipo n, banda prohibida ancha (3,3 eV)5 y alta energía de unión de excitones (60 meV). 5, respeto al medio ambiente6, bajo costo y alta estabilidad física y química7. Se pueden utilizar dos métodos que implican dopaje con elementos Sb8, Ga9, Cu10, Gd11 y Li12, y heteroestructuras, como RGO/ZnO2, Ag/ZnO6, ZnO/grafeno13, Si/ZnO14, In2O3-ZnO15 y MoS2@ZnO16. Se utiliza para modificar y mejorar la emisión de luz por ZnO. Los medios más comunes para sintetizar nanoestructuras de ZnO incluyen los métodos sol-gel6, hidrotermal térmico17, hidrotermal por microondas18, deposición química de vapor térmica (CVD)8 y ablación con láser pulsado (PLA)19. Como se mencionó anteriormente, los enfoques sol-gel y CVD térmico son los métodos más populares, simples y eficientes para sintetizar nanoestructuras de ZnO. El negro de carbón tiene una estructura cristalina similar a la del grafito pero es tridimensional y menos ordenada. Las capas de carbón en el negro de carbón son paralelas entre sí pero exhiben un orden bajo, frecuentemente como capas concéntricas con estructuras turboestráticas20. El negro de carbón tiene alta conductividad, gran superficie específica, estabilidad21 y bajo costo, y es naturalmente abundante22. Por lo tanto, tiene usos potenciales en cargas de carbono22, materiales de refuerzo y soporte para catalizadores metálicos21, baterías de iones de litio23, biomateriales24, pilas de combustible25, fotocatalizadores26, células solares27, electrocatalizadores de reducción de oxígeno28 y compuestos de caucho29.

Las heteroestructuras, incluidas las heteroestructuras de metal/semiconductor, semiconductor/metal y semiconductor/semiconductor, son útiles para modificar las propiedades de fotoluminiscencia de los semiconductores, de una manera determinada por la reconfiguración de la estructura de banda entre los materiales de conexión en un estado estacionario. Wang y cols. informaron que las nanoestructuras V2O5 @ Pt exhibieron una intensidad fotoluminiscente mejorada en λ = 466 nm30; Wang y cols. informaron que las nanoestructuras RGO @ ZnO exhibieron una intensidad mejorada en la emisión del borde cercano a la banda2; Rajas-López et al. encontraron que MoS2/hBN/SiO2 exhibía una intensidad fotoluminiscente mejorada con una energía de emisión de 1,85 eV31; Chi et al. reveló que NiFe/ZnO exhibió fotoluminiscencia con mayor intensidad en λ = 414 nm32; y Kandhasamy et al. encontraron que MoS2/grafeno exhibía fotoluminiscencia mejorada en λ = 690 nm y 430 nm33. Con base en las propiedades antes mencionadas del negro de humo, los usos potenciales del ZnO y las propiedades útiles de las heteroestructuras, en el presente documento se utilizaron un método sol-gel y el proceso CVD térmico para fabricar heteroestructuras de ZnO/negro de humo, y los efectos del Se investigaron sistemáticamente el contenido de nanopartículas de negro de humo en la estructura cristalina de ZnO y las propiedades fotoluminiscentes. Los nombres de las muestras para las heteroestructuras de ZnO/negro de humo se indican como ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 y ZC4, correspondientes a la adición de contenidos de negro de humo de 0, 2,08, 4,16, 6,25 y 8,33 × 10−3 mol. respectivamente. CB25 y CB500 representan las nanopartículas de negro de carbón antes y después del recocido a 500 °C, respectivamente.

La Figura 1a, b presenta los patrones de XRD de las NP de negro de carbón antes y después del recocido a 500 ° C, respectivamente. Ambas curvas de datos sin procesar incluyen un pico intenso alrededor de 24,1° y un pico débil alrededor de 43,5°. El grafito cristalino produce un pico alrededor de 26,56°34, que es mayor que el de aproximadamente 2,46° obtenido en este trabajo. Este resultado revela que la microcristalinidad de las NP de negro de humo difiere de la del grafito34. El cambio en el ángulo de difracción XRD tiene las siguientes causas; (1) dopaje con impurezas, (2) distorsión de la red, (3) contracción de la red, (4) tensión de compresión (se desplaza hacia ángulos más altos) y (5) tensión de tracción (se desplaza hacia ángulos más bajos). El dopaje con impurezas no se considera aquí. Por lo tanto, el cambio en el ángulo de difracción es causado por la deformación mecánica como resultado de la distorsión y el estrés. Por tanto, el pico más intenso a 24,1° corresponde al plano (002) del grafito34 mientras que el más débil a 43,5° ​​representa el plano (111) del diamante35. La fase de grafito tiene una conductividad eléctrica mayor que la fase de diamante. La relación de las proporciones de las fases de grafito y diamante en el negro de humo se estima como:

y

respectivamente, donde \(A_{grafito}\) y \(A_{diamante}\) son las áreas integradas bajo los picos de las fases de grafito y diamante en los patrones XRD. Las proporciones de grafito (enlaces sp2) y diamante (enlaces sp3) en el negro de humo antes del recocido térmico a 500 °C son del 87,2% y el 12,8%, respectivamente, mientras que las proporciones después del recocido son del 89,5% y el 10,5%. Estos resultados confirman que se ha mejorado la cristalinidad del grafito, por lo que el recocido térmico mejoró la conductividad del negro de humo. El pico de carbono (002) revela que el negro de humo comprende la fase de grafito cristalino y puede deconvolucionarse en dos picos alrededor de 19° y 24,4°. La primera corresponde a la fase de carbono cristalino menos desarrollado (LDCC) y la segunda corresponde a la fase de carbono cristalino más desarrollado (MDCC)34. La relación de intensidad respectiva IMDCC/ILDCC es 5,7 (Fig. 1a) y 6,7 (Fig. 1b), lo que implica que la cristalinidad del negro de carbón mejoró mediante el recocido a 500 °C, favoreciendo una mayor conductividad. La Figura 1c incluye picos XRD de ZC NS pero no se observan picos relacionados con el carbono. Los picos significativos alrededor de 31,7°, 34,4°, 36,2°, 47,5° y 56,5° corresponden a los planos ZnO(100), ZnO(002), ZnO(101), ZnO(102) y ZnO(110). Basado en el JCPDS 36-14516, que confirma la estructura típica de wurtzita hexagonal de ZnO. La Tabla S1 presenta las constantes de red, a (= b) y c, de ZnO y la relación c/a. Las constantes de red a y c, y la relación c/a son de alrededor de 0,325 y 0,52 nm y 1,601, respectivamente. Estos resultados revelan que las NP de negro de humo no tienen ningún efecto sobre la estructura cristalina del ZnO.

Patrones de XRD de negro de humo tratados a (a) 25 °C, (b) 500 °C y (c) NS ZC con diversos contenidos de negro de humo.

Las morfologías de la superficie de las NP de negro de humo, ZC0 y ZC4 NS se obtienen mediante el FESEM, como se muestra en las figuras 2a a c, respectivamente. Los NS ZC0, como se muestra en la Fig. 2a, son NS en forma de clúster. La Figura 2b revela que las NP de negro de carbón puro tienen morfologías similares a partículas. Los NS ZC4 forman grupos similares a partículas, como se muestra en la Fig. 2c, similares a los de las NP de negro de carbón puro en la Fig. 2b. El procedimiento sol-gel, sin agentes de protección, es el método principal utilizado en este trabajo para sintetizar las nanoestructuras de ZC. Como resultado, las nanoestructuras en ZC0 exhiben tamaños más grandes, como se muestra en la Fig. 2a. Los tamaños más pequeños de ZC4 NS, como se muestra en la Fig. 2c, se pueden atribuir a la cubierta de ZnO en la superficie de las nanopartículas de negro de carbón (tamaño de partículas ~ 26 nm). Además, para el análisis FESEM, las muestras se suspendieron inicialmente en agua desionizada, luego se dejaron caer sobre la superficie de la oblea de silicio y finalmente se secaron en condiciones ambientales. En consecuencia, las densidades de las nanoestructuras varían, como se observa en las figuras 2a-c. La Figura S1a muestra una imagen FESEM de los NS ZC4 que está rodeada por la línea roja. La Figura S1b muestra el espectro FESEM-EDX y presenta los valores correspondientes de Zn, C y O en el recuadro. La Figura S1c-e presenta las asignaciones elementales individuales de Zn, C y O en los NS ZC4. El mapeo confirma la presencia de Zn, C y O. La mayoría de los Zn, C y O elementales se detectan dentro del círculo rojo, como se muestra en la figura S1c-e.

Imágenes FESEM de (a) ZC0, (b) negro de humo y (c) ZC4 NS.

Las Figuras 3a, cyb, d presentan imágenes de baja magnitud y HR-TEM de las NP de negro de carbón puro después del recocido a 500 ° C y de las NS ZC4, respectivamente. El espaciado d correspondiente al plano del carbono grafítico (002) es de 0,344 nm, como se muestra en la figura 3c. El patrón de difracción de área seleccionado (SAD) de las NP de negro de carbón, como se muestra en la Fig. 3e, revela su estructura policristalina con espacios d de carbono grafítico (002), (101) y (110) de 0.345. 0,204 y 0,116 nm, respectivamente36. Estos resultados confirman que las NP de negro de carbón son cristalinas, lo que también coincide con los patrones de XRD. La imagen HRTEM de los NS ZC4, que se muestra en la figura 3d, presenta el plano ZnO (100) con un espaciado d de 0,287 nm. El espaciado d obtenido de 0,525 nm no corresponde a la fase de ZnO o negro de humo. El aumento del espaciado d está asociado con el patrón Moiré, que surge de la interacción entre las redes de ZnO y el negro de humo. El patrón SAD de los ZC4 NS, como se muestra en la Fig. 3f, revela la estructura cristalina del ZnO con los planos ZnO (100), ZnO (002), ZnO (102) y ZnO (103). Estos resultados revelan que el ZnO cristalino sintetizado cubrió las superficies de las NP de negro de humo.

Imágenes TEM de (a) y (b), imágenes HRTEM de (c) y (d), y patrones SAD de (e) y (f) de las NP de negro de carbón y las NS de ZC4, respectivamente.

Las Figuras 4a a d presentan los espectros Raman de las NP de negro de carbón antes y después del recocido a 500 ° C, ZC0 y ZC4 NS, respectivamente. Los picos alrededor de 476 y 471 cm-1 en la Fig. 4a, b se atribuyen al enlace desordenado relacionado con el carbono (DCRB) 37. La Figura 4c muestra el espectro Raman de ZC0, que incluye cuatro picos característicos de la wurtzita ZnO en 326, 412, 435 y 577 cm-1, correspondientes a los modos E2high-E2low, E1TO, E2high y A1LO, respectivamente2. E2high está relacionado con el oxígeno en Zn-O en la estructura cristalina de wurtzita ZnO38; A1LO se asocia con deficiencia de oxígeno en Zn-O39. Un pico débil a 533 cm-1, que se muestra en la Fig. 4d, es atribuible al modo E1LO de wurtzita ZnO con deficiencia de oxígeno40. Estos resultados confirman que se ha establecido la estructura hexagonal de ZnO wurtzita.

Espectros Raman en los cambios Raman más cortos de (a) CB25, (b) CB500, (c) ZC0 y (d) ZC4 NS.

Las Figuras 5a a d muestran principalmente las bandas D y G de los materiales a base de carbono. Las Figuras 5a, b presentan los espectros de las NP de negro de humo puro antes y después del recocido a 500 ° C, respectivamente, e incluyen tres picos significativos. El pico en alrededor de 910 cm-1 se atribuye a los enlaces desordenados relacionados con el carbono37; los de 1382 cm-1 y 1577 cm-1 corresponden a las bandas D y G de los materiales a base de carbono. El primero está asociado con átomos de carbono sp2 desordenados, mientras que el segundo está asociado con átomos de carbono sp2 similares al grafito2. Las relaciones de intensidad entre la banda G y la banda D en CB25 y CB500 son 1,633 y 1,457, respectivamente, como se muestra en las figuras 5a, b. Estos hallazgos sugieren que las nanopartículas de negro de carbón exhiben estructuras de carbono grafíticas mejoradas después del recocido a 500 °C, lo que es consistente con los resultados de XRD. La Figura 5c muestra un pico a 1136 cm-1, que es característico del modo de vibración multifónica 2LO del cristal de wurtzita ZnO41. La Figura 5d presenta tres picos de los NS de ZC4 en 1117, 1381 y 1582 cm-1, que están asociados con los modos de vibración de ZnO 2LO y las bandas D y G basadas en carbono, respectivamente. Estos resultados confirman la formación del cristal de wurtzita ZnO y la presencia de material de negro de humo en los ZC4 NS.

Espectros Raman en los cambios Raman más largos de (a) CB25, (b) CB500, (c) ZC0 y (d) ZC4 NS.

La Figura 6 presenta las absorciones de los ZC NS, que se obtuvieron utilizando una esfera integradora. El pico de absorción se encuentra en una longitud de onda de alrededor de 375-400 nm, y la absorción de los ZC NS es de siete a diez veces mayor que la de los ZC0. La absorción mejorada por los ZC NS es atribuible a las NP de negro de humo. Con base en los datos de absorción, las bandas prohibidas ópticas de los NS ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 y ZC4 se estiman a partir del gráfico Tauc, de la siguiente manera, y se presentan en las figuras S2a, S2b, S2c, S2d y S2e, respectivamente. .

donde A es una constante; h es la constante de Planck; ν es la frecuencia de la luz incidente; n es la constante característica del material y Eg es la banda prohibida del material. La constante n es 2 para un material Eg directo, como ZnO, y 1/2 para materiales Eg indirectos42. Los valores de Eg para ZC0 y ZC4 NS que se estiman a partir del gráfico Tauc son 2,33 y 2,98 eV, respectivamente. La Figura S2f muestra la variación del Eg de ZC NS con contenidos crecientes de NP de negro de humo. La cristalinidad del carbono tipo grafito se mejora mediante el recocido a 500 °C. Las concentraciones de electrones libres que se transfieren de las NP de negro de humo a las nanoestructuras de ZnO aumentan con el contenido de negro de humo. Por tanto, el aumento de Eg es causado por el efecto Burstein-Moss.

Absorción UV-visible de los ZC NS con diversos contenidos de NP de negro de humo.

La Figura 7a presenta espectros de fotoluminiscencia (PL) de las NP de negro de humo puro y las NS de ZC. No se observan señales PL de las NP de negro de humo puro antes y después del recocido a 500 °C. La intensidad de PL del ZnO, como se muestra en la Fig. 7a, disminuye en longitudes de onda más largas (> 475 nm) a medida que aumenta el contenido de NP de negro de humo. La intensidad de PL de los ZC NS en longitudes de onda más cortas (<475 nm), como se muestra en la Fig. 7a, aumenta con el contenido de NP de negro de humo. La Figura S3a-e presenta las deconvoluciones de los espectros PL de los NS ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 y ZC4, respectivamente, en longitudes de onda cortas (350-475 nm). Se observan tres picos en tales espectros desconvolucionados. El pico en torno a 380 nm (E1, 3,26 eV) es atribuible a la emisión de banda cercana (NBE), que surge de la recombinación de los electrones en la banda de valencia (VB) del ZnO y los huecos en su banda de conducción (CB ); el pico a 400 nm (E2, 3,1 eV) está asociado con la emisión violeta de los niveles defectuosos de los intersticiales de zinc \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\); el pico a 426‒440 nm (E3, 2,91‒2,81 eV) es atribuible a las transiciones desde el CB del ZnO y los niveles superficiales de defecto del donante de \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\) a los niveles de defecto del aceptor de las vacantes de zinc \((V_{Zn}^{{\prime\prime}} )\)2,43,44,45.

(a) espectros de PL de ZC NS con diversos contenidos de negro de humo, (b) longitudes de onda de emisión de PL y (c) intensidades de PL de ZC NS con diversos contenidos de negro de humo en la región de longitudes de onda más cortas.

La Figura 7b muestra que las longitudes de onda de las emisiones de PL en E1 y E2 no cambian significativamente, mientras que las de E3 están claramente desplazadas hacia el azul. La Figura S2f revela que las bandas prohibidas ópticas de los ZC NS aumentan con el contenido de NP de negro de humo, como resultado del efecto Burstein-Moss. Estos resultados revelan que los electrones de las NP de negro de carbón migran principalmente a los niveles defectuosos de \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\). La Figura 7c presenta las intensidades de PL de los ZC NS en E1, E2 y E3, respectivamente. Las intensidades de PL de ZC NS en E1, E2 y E3 aumentan mediante factores de 68.3, 62.8 y 56.8, respectivamente, cuando el contenido de NP de negro de carbón es de 2.03 × 10-3 mol. La intensidad de PL disminuye a medida que el contenido de NP con respaldo de carbono aumenta de 2,03 × 10 −3 a 8,33 × 10 −3 mol. La Tabla S2 presenta las intensidades de PL de los ZC NS en longitudes de onda cortas y los factores de mejora relevantes. La banda de emisión amplia en longitudes de onda más largas (> 475 nm) se observa en la Fig. 7a y se identifica con la emisión de nivel profundo (DLE). DLE surge de los niveles de defectos dentro de la banda prohibida del ZnO, como las vacantes de oxígeno \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\), las vacantes de zinc \((V_{Zn}^{{\prime \prime}} )\), intersticiales de zinc \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\) y antisitos de oxígeno \((O_{Zn}^{\prime\prime\prime\prime} ) \)8. Los niveles de defecto de \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\) son los principales responsables del DLE46. Estos resultados confirman que el contenido adecuado de NP de negro de humo incorporado aumenta la intensidad de PL de ZnO en la región de longitud de onda corta y reduce significativamente el DLE. Se enumeran los trabajos relacionados sobre las propiedades de fotoluminiscencia de heteroestructuras que comprenden nanoestructuras de ZnO y diversos nanomateriales relacionados con el carbono, como óxidos de grafeno reducido (RGO), puntos cuánticos de carbono (QD), grafeno, nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y nanomateriales de carbono. en la Tabla S3. Estos estudios indican que la presencia de materiales relacionados con el carbono tiene un impacto en las propiedades de fotoluminiscencia cuando se integran con nanoestructuras de ZnO. En condiciones adecuadas, las intensidades de PL de las nanoestructuras de ZnO se pueden mejorar mediante la incorporación de materiales relacionados con el carbono.

La Figura 8a muestra un diagrama de bandas propuesto de los NS ZC1 en la región de longitud de onda corta. Los electrones en el VB del ZnO son excitados al CB por la luz incidente (EI). Algunos de estos electrones excitados deberían transferirse al nivel de defecto inferior de \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\). Además, los electrones libres en las NP de negro de humo migran al CB del ZnO y al nivel donante poco profundo de \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\) como resultado de la conductividad mejorada de las NP de negro de humo y la transferencia mejorada de electrones entre ZnO y NP de negro de humo. Por lo tanto, las intensidades de emisión de ZC1 aumentan2,6. Además de los electrones libres, desde el CB del ZnO hasta el nivel de defecto \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\), las variaciones en la banda prohibida óptica estimada de los ZC NS (Fig. S2f ) muestran que los electrones libres migran principalmente hacia \((Zn_{i}^{ \cdot \cdot } )\) por lo que la emisión de E2 es más intensa que las emisiones de E1 y E3. Las intensidades de PL en longitudes de onda más cortas disminuyen a medida que aumenta el contenido de NP de negro de carbón, como se muestra en la Fig. 7a, lo que puede atribuirse a las siguientes razones. (a) la nueva migración de los electrones del ZnO a las NP de negro de humo; (b) las nanopartículas de negro de humo de alta conductividad actúan como sitios de captura de portadores, lo que implica el incremento de los sitios de captura de portadores libres que conducen a una disminución de las intensidades de PL. La Figura 8b presenta un diagrama de bandas propuesto de los NS ZC4 en longitudes de onda más largas. La luz incidente (EI) excita los electrones desde el VB del ZnO hasta el CB. Estos electrones excitados deberían transferirse al nivel de defecto inferior de \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\) y migrar a nanopartículas de negro de humo que actúan como trampas de electrones. Los electrones libres en el CB y los niveles donantes defectuosos de \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\) migran a las NP de negro de carbón desde la interfaz con ZnO como resultado de la conducción mejorada del NP de negro de humo. Por lo tanto, los electrones migran desde el nivel de defecto CB y \((V_{O}^{ \cdot \cdot } )\) en el ZnO a las nanopartículas de negro de carbón, lo que lleva a la disminución de la intensidad del DLE por parte de los NS de ZC2,6.

Los diagramas de bandas propuestos de (a) ZC1 NS en regiones de longitud de onda más cortas y (b) ZC4 NS en regiones de longitud de onda más largas.

Las nanoestructuras de ZnO / negro de carbón se sintetizaron utilizando el método sol-gel y se cristalizaron mediante recocido a 500 ° C y 2 × 10 −2 Torr. Las estructuras cristalinas y los modos de vibración de enlace se investigaron y analizaron sistemáticamente utilizando espectrometría XRD, HRTEM y Raman. Los patrones Moiré observados en las imágenes HRTEM confirman que las nanopartículas de negro de humo estaban cubiertas por cristales de ZnO. La absorbancia óptica reveló que la banda prohibida de las nanoestructuras de ZnO / negro de humo aumenta con el contenido de negro de humo debido al efecto Burstein-Moss. Los espectros de fotoluminiscencia revelaron que las intensidades de emisión de los cristales de ZnO en el borde de la banda cercana y en las regiones de luz violeta y azul aumentaron en factores de 68,3, 62,8 y 56,8, respectivamente, cuando el contenido de negro de humo era 2,03 × 10-3 moles. El contenido adecuado de nanopartículas de negro de humo aumenta la intensidad de la luminiscencia de los cristales de ZnO en el régimen de longitud de onda corta. Las nanoestructuras de ZnO/negro de carbón prometen ser utilizadas en dispositivos emisores de luz.

ZnO y las nanoestructuras (NS) de ZnO/negro de humo se fabricaron mediante el proceso sol-gel a partir del material precursor nitrato de zinc hexahidrato (Zn(NO3)2·6H2O, Choneye) que se mezcló con nanopartículas de negro de humo en agua desionizada. Una solución 0,28 M de Zn(NO3)2·6H2O en agua desionizada se agitó durante 60 minutos para asegurar la homogeneidad. Luego, se agregaron por separado nanopartículas de negro de carbón altamente conductoras con un tamaño de 26 nm (NP, Hondwen Co., Ltd.) en cantidades de 0, 2,08, 4,16, 6,25 y 8,33 × 10-3 mol a la base de Zn. soluciones, que se agitaron durante 60 min. Las mezclas acuosas así obtenidas se cocieron en un horno durante 30 h a 1 atm y 180 °C para eliminar la humedad y producir un polvo mixto seco. Posteriormente, el polvo seco se puso en un horno de tubo de cuarzo horizontal y se calentó a 500 °C (10 °C/min), que se mantuvo durante 10 min para la cristalización a una presión de 2 × 10-2 Torr. Los productos finales se recogieron a temperatura ambiente (RT) y aquellos con contenidos de negro de carbón de 0, 2,08, 4,16, 6,25 y 8,33 × 10-3 moles se denominaron ZC0, ZC1, ZC2, ZC3 y ZC4, respectivamente. Las nanopartículas de negro de carbón antes y después del recocido a 500 °C se denominan CB25 y CB500, respectivamente. La Tabla 1 presenta los contenidos de precursores de nitrato de zinc hexahidratado (Zn(NO3)2·6H2O) y nanopartículas de negro de humo, así como el tratamiento de recocido de las muestras.

Las estructuras cristalinas de ZC NS se determinaron utilizando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM; JEOL JEM-2010) y un difractómetro de rayos X (XRD, Bruker D2 PHASER) con radiación CuKα con λ = 1,5405 Å a 40 kV y 30 mamá. Las morfologías de la superficie de ZC NS se observaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM; JOEL JSM-6335F). Los modos de vibración de enlace de ZC NS se analizaron mediante espectroscopía Raman (microespectrómetro Raman PL a escala nanométrica 3D, Tokyo Instruments, INC.) con un láser semiconductor con una longitud de onda de excitación de 488 nm. Los espectros de absorción de los ZC NS en el rango UV-visible se obtuvieron utilizando un espectrofotómetro UV-visible (Cary 50, Varian). Los espectros de fotoluminiscencia (PL) se obtuvieron utilizando un espectrómetro Raman confocal a temperatura ambiente (Alpha 300, Witec, Alemania) con un láser semiconductor de 266 nm como fuente de excitación.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores desean agradecer al Ministerio de Ciencia y Tecnología de la República de China, Taiwán, por apoyar financieramente esta investigación bajo el contrato MOST 110-2221-E-034-006.

Estos autores contribuyeron igualmente: Chih-Chiang Wang y An-Ya Lo.

Departamento de Ingeniería Química y de Materiales, Universidad Nacional de Tecnología Chin-Yi, Taichung, 411030, Taiwán

Chih-Chiang Wang y An-Ya Lo

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional Chung Hsing, Taichung, 40227, Taiwán

Ming-Che Cheng, Yu-Sung Chang, Han-Chang Shih y Fuh-Sheng Shieu

Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, Universidad de Cultura China, Taipei, 11114, Taiwán

Han-Chang Shih

Centro de instrumentos, Oficina de Investigación y Desarrollo, Universidad Nacional Chung Hsing, Taichung, 40227, Taiwán

He-Ting Tsai

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Conceptualización, HCS y FSS; metodología, HCS, FSS, AYL y CCW; software, CCW, MCC y YSC; validación, CCW, AYL, MCC y YSC; análisis formal, CCW, AYL y HTT; investigación, CCW, AYL, MCC y YSC; recursos, HCS y FSS; curación de datos, CCW, MCC y YSC; redacción: preparación del borrador original, CCW; redacción: revisión y edición, HCS, FSS y AYL; visualización, CCW, AYL, MCC y YSC; supervisión, HCS y FSS; administración de proyectos, HCS; adquisición de financiación, HCS Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Chih-Chiang Wang o Han-Chang Shih.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wang, CC., Lo, AY., Cheng, MC. et al. Las nanoestructuras de óxido de zinc mejoraron la fotoluminiscencia mediante nanopartículas de negro de humo en heteroestructuras Moiré. Representante científico 13, 9704 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36847-1

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Recibido: 13 de abril de 2023

Aceptado: 11 de junio de 2023

Publicado: 15 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36847-1

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