آنالیز فتولومینسانس (PL) برای شناسایی خواص نانو مواد

آنالیز فوتولومینسانس (PL) یکی از آنالیز های پرکاربرد برای توصیف خواص نوری و الکترونیکی مواد و به خصوص نیمه هادی ها می باشد. اساس این روش این گونه است که الکترون ها از نوار ظرفیت به نوار رسانش ماده توسط لیزری با انرژی بزرگتر از فاصله باند گپ برانگیخته می شوند. در مورد مواد نیمه هادی مستقیم، انرژی اضافی به صورت نور (گسیل خود به خود) ساطع (نشر) می شود.

با تجزیه و تحلیل طیف نور ساطع شده، می توان پاسخ ماده را بر حسب شدت به عنوان تابعی از طول موج اندازه گیری کرد که منجر به دسترسی به اطلاعات در مورد ساختار انرژی مواد می شود. در حال حاضر آنالیز PL کاربردهای زیادی در دیودهای نوری، لیزرها، لامپ ها، حسگر ها، سوسوزن ها، نمایشگرهای الکترونیکی و غیره دارد. به دلیل خواص و ویژگی های منحصر بفردی که مواد نانو در صنایع مختلف از خود نشان داده اند، تمایل بسیار زیادی به بررسی مشخصات و کاربردهای آن ها وجود دارد. می دانیم که ویژگی های سطحی و حجمی مقیاس نانو و همچنین نسبت سطح به حجم ماده در این مقیاس، تغییرات چشمگیری را در مواد ایجاد می کنند. در این مقاله به بررسی کاربرد آنالیز PL در شناسایی مواد نانوساختار خواهیم پرداخت.

آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس (PL)

فرایند لومینسانس به این صورت است که در شرایط معمول الکترون های ماده مورد نظر یا هدف که در تراز انرژی پایه قرار دارند با گرفتن انرژی از یک منبع مشخص به حالت های پرانرژی تر برانگیخته می شوند. در هنگام بازگشت الکترون های ماده از حالت برانگیخته شده به حالت پایه، انرژی برانگیختگی به صورت نور (انرژی فوتون ها) نشر می شود. قابل ذکر است که فرآیند لومینسانس نیازمند دماهای بالا نبوده و در دماهای معمول و نسبتا پایین اتفاق می افتد. یکی از معروف ترین انواع لومینسانس، فوتولومینسانس بوده که در آن تحریک به وسیله فوتون ها انجام می شود. در فرایند برانگیختگی الکترون ها به تراز انرژی بالاتر و سپس بازگشت آ نها به تراز انرژی پایین تر، همراه با جذب و نشر فوتون است. از طرفی دیگر در این فرایند نمونه توسط لیزر یا لامپی با انرژی فوتونی بیشتر نسبت به بند گپ برانگیختگی می شود و طیف بوسیله ی ضبط کردن نشر به عنوان یک تابعی از طول موج بدست می آید. این مورد تکنیکی است که برای شناسایی خواص الکترونیکی و نوری نیمه هادی ها و مولکول ها به کار می رود. هم چنین یک روش بدون تماس و غیرمخرب برای بررسی ساختار الکترونیکی مواد است.

انجام آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس (PL)

کاربردهای آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس

کاربردهای آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس علاوه بر شناسایی خواص نانو مواد شامل شناسایی خواص الکترونیکی و نوری نیمه هادی ها و مولکول ها، بررسی خواص نشری داروها، تعیین غلظت و غیره می شود.

مزایا و محدودیت های  آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس

• مزایا : آنالیز PL جز روش های غیر تماسی و غیرمخرب محسوب می شود و همانطور که در بالا هم اشاره شد، از آن برای بررسی ساختار الکترونیکی مواد استفاده می شود.           
• محدودیت ها : عدم اندازه گیری دقیق در غلظت های کم مواد

استفاده از آنالیز PL در شناسایی خواص نانو مواد

تاثیر اندازه نانوذرات بر روی ساختار الکترونیکی مواد نیمه هادی به واسطه افزایش باندگپ با کاهش اندازه ذرات، بیان می شود که به اصطلاح به اثر محصورسازی کوانتومی نسبت داده می شود. با استفاده از جابه جایی امکان توصیف کیفی توزیع اندازه ذرات وجود دارد. در نانوذرات کوچکتر (در انرژی های بیشتر لیزر) پیک تیز اکسیتونی در طیف جذبی وجود دارد که درواقع نشان دهنده توزیع کم اندازه نانوذرات در نمونه است.

برای ذرات بزرگتر این مشخصه در طیف جذبی مشاهده نمی شود (در انرژی های پایین تر لیزر). که دلیل آن، ناشی از این واقعیت است که تعدادی از پیک ها در انرژی های مختلف، مربوط به نانوذرات با اندازه های مختلف ظاهر می شود که با یکدیگر هم پوشانی دارند. بنابراین، گسترش توزیع اندازه نانوذرات را می توان انتظار داشت. این فرض با استفاده از توزیع اندازه نانوذرات حاصل از آنالیز DLS در نمونه های مختلف تایید شده است.

طیف فتولومینسانس نانوذرات اکسید روی تولید شده در (a) طول موج ۲۲۳ نانومتر در (b) طول موج ۶۴۶ نانومتر.

شکل a نتیجه طیف فتولومینسانس نانوذرات اکسید روی را که توسط لامپ زنون در طول موج ۲۲۳ نانومتر تحریک شده است ، نشان می دهد. به طور معمول در طیف فتولومینسانس نانوذرات اکسید روی، نوار های گسیلی در نواحی UV و مرئی مشاهده می شود. پیک UV که معمولا به عنوان مشخصه ای از گسیل ZnO درنظر گرفته می شود، به گسیل لبه نوار یا گذار اکسیتونی منسوب است. در حالی که نوار های گسیلی در محدوده مرئی ناشی از باز ترکیب حفره های حاصل از تابش فوتون با حالت  های باردار یونیزه شده در نقص های ذاتی مانند جای خالی اکسیژن، Zn درون شبکه ای و یا ناخالصی ها می باشد.

به طور کلی گسیل UV در اکسید روی در دو مورد از بین می رود. اول آنکه اگر انرژی تحریک به مراتب کمتر از گاف انرژی آن درنظرگرفته شود و دوم، در صورتی که شدت گسیل نور مرئی ناشی از افزایش چگالی نقص ها بسیار بالاتر باشد. در همه نمونه های نانوذرات اکسید روی، پیک UV در طیف فتولومینسانس غالب است که شدت این پیک با افزایش انرژی پالس لیزر افزایش یافته است، در حالی که شدت پیک های موجود در ناحیه مرئی کاهش می یابد. به عبارت دیگر، گسیل شدید اکسیتونی نشان می دهد که نانوذرات اکسید روی تولید شده دارای نقص کمی هستند.

تحلیل فوتولومینسانس

طیف جذبی (a) و نشری (b) نمونه ای نانو کریستال تهیه شده در pH 4

طیف نشری و جذبی نانو کریستال های تهیه شده در pH=4 درحالت جامد و در دمای اتاق در شکل  نشان داده شده است. نانو کریستال های حاصل فوتولومینسانس شدیدی را با ماکزیمم نشری طول موج ۴۴۴ نانومتر بر اساس برانگیختگی در طول موج ۷۳۰ نانومتر نشان می دهد که این نوار می تواند به نشر انتقال بار نسبت داده شود و نتیجه گرفته می شود که این ترکیب جزو مواد فوتولومینسانس می باشد.

فوتولومینسانس که برای توصیف خواص نوری الکترونیکی نیمه هادی ها و سایر مواد استفاده می شود به دلیل غیر سمی بودن نانومواد، استفاده از آن را برای تولید محصولات سبز و هوشمند با تکنولوژی بالا تقویت می کند. مطالعه حاضر بیشتر این جنبه را با رمزگشایی وابستگی خواص نورتابی و نوری بیوژنیک برجسته می‌کند. طیف فوتولومینسانس، ویژگی های نوری نانو کریستال های سنتزی را تائید می کند که به تفاوت انرژی بین نوارهای ظرفیت و هدایت وابسته است.