Síntese e Estudo das Características Óticas de Estruturas de Esfera Híbrida Ti0.91O2 / CdS

Resumo

As propriedades ópticas do Ti ultrafino alternado _0,91 O ₂ nanofolhas e estruturas esféricas híbridas de nanopartículas de CdS projetadas pela técnica de montagem camada por camada (LBL) são investigadas. A partir das medições espectrais de fotoluminescência (PL) nas estruturas esféricas híbridas, uma emissão de fluorescência com desvio de espectro ocorre neste novo material híbrido. As medições de PL resolvidas no tempo exibem uma vida útil de PL notavelmente aumentada de 3,75 ns em comparação com apenas Ti _0,91 O ₂ esferas ou nanopartículas de CdS. Os novos resultados foram atribuídos à separação elétron-buraco aprimorada devido ao novo mecanismo de transição óptica indireta tipo II entre Ti _0,91 O ₂ e CdS em uma configuração separada por carga.

Histórico

Nanoestruturas compostas semicondutoras têm atraído mais atenção devido à montagem ideal da banda de condução e da banda de valência para as aplicações fotovoltaicas e outros dispositivos optoeletrônicos [1,2,3,4]. A separação espacial do elétron e do orifício nas nanoestruturas compostas semicondutoras do tipo II pode resultar em uma vida útil prolongada de portadores de carga que tem características ópticas desejáveis para aplicações como fontes de luz [5, 6], lasers [7,8,9] e dispositivos fotovoltaicos [10, 11]. Muitos estudos do efeito da transição óptica indireta (IOT) nas nanoestruturas compostas do tipo II foram relatados nos últimos anos. Por exemplo, o fenômeno IOT foi relatado em nanoestruturas de esfera híbrida ultrafina, incluindo óxido de grafeno e TiO ₂ nanofolhas [12] ou sistema de pontos quânticos acoplados [13]. Nos últimos anos, TiO ₂ é um importante material óptico que tem sido amplamente investigado devido às suas excelentes propriedades ópticas para uso em fotocatálise e células solares, mas o largo bandgap (3,2 eV) de TiO ₂ limita sua propriedade fotocatalítica na região UV. A fim de explorar amplamente a atividade óptica na região da luz visível, a superfície do TiO ₂ nanofolhas revestidas com pontos quânticos foram investigadas como uma alternativa superior para células solares sensibilizadas com corante [14,15,16,17,18]. Particularmente importante, o sistema composto de TiO ₂ nanofolhas acopladas a pontos quânticos CdS (QDs) têm sido amplamente estudadas para várias aplicações devido ao seu bandgap adequado (2,4 eV) e excelentes propriedades ópticas [19,20,21]. Combinando esses recursos, o TiO ₂ / Estruturas híbridas CdS foram recentemente destacadas como um sistema único [22,23,24,25,26]. Além disso, as nanopartículas de CdS revestidas com TiO ₂ nanofolhas podem melhorar muito sua atividade óptica. Até agora, a separação de excitons e a extração de portadores são o principal obstáculo para a obtenção de células solares sensibilizadas com materiais altamente eficientes. No entanto, estudos fundamentais sobre dinâmica de portadores fotoexcitados com base em TiO ₂ As esferas híbridas / CdS são limitadas. Portanto, as propriedades de fotoluminescência (PL) e decaimentos de PL resolvidos no tempo de nanoestruturas compostas consistindo em Ti alternado _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS são investigadas neste artigo. A partir dos espectros de PL e medições de decaimento de PL resolvido no tempo, a nova transição óptica indireta tipo II contribui para esclarecer o novo mecanismo de emissão de fluorescência de nanoestruturas compostas consistindo de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS que são diferentes do TiO tradicional ₂ / Sistemas de transição radiativa por fluorescência CdS. Os espectros de PL dependentes de potência e comprimento de onda de excitação e as medições de decaimento de PL resolvidas no tempo também foram investigados para afirmar as propriedades de recombinação de portadores de carga e elucidar o mecanismo de competição de diferentes vias de transição radiativa em Ti _0,91 O ₂ / Nanoestrutura de compósito CdS. Esses novos resultados fornecem um ponto de vista útil para o projeto de separação de carga e extração de carga no TiO ₂ e nanoestruturas compostas de CdS para várias aplicações de dispositivos optoeletrônicos.

Métodos

Sintetizar Amostras

A síntese de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS foram relatadas com base na técnica de automontagem camada por camada [27]. O procedimento geral para a fabricação de Ti multicamadas _0,91 O ₂ / CdS compósito nanoestruturas é demonstrado como segue:as esferas sólidas de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) foram completamente diluídas pela solução aquosa de polietilenimina protônica (PEI), a fim de garantir a adsorção saturada de PEI em superfícies de esferas sólidas de PMMA. As esferas sólidas de PMMA revestidas com PEI são diluídas com água deionizada por tratamento ultrassônico; então, Ti _0,91 carregado negativamente O ₂ nanofolhas foram adicionadas ao PMMA híbrido revestido com solução PEI sob agitação, o PMMA combinado com Ti _0,91 O ₂ nanofolhas devido à interação eletrostática interna da carga oposta. O procedimento acima foi repetido. O PEI / Ti multicamadas _0,91 O ₂ As nanoestruturas de esfera híbrida / PEI / CdS que foram depositadas em esferas de PMMA foram obtidas com base nos procedimentos de síntese repetidos acima. Durante a irradiação de microondas, a porção PEI foi removida e as partículas de PMMA foram decompostas. Após a reação, esferas ocas consistindo em Ti alternado _0,91 O ₂ nanofolhas e CdS QDs foram obtidos, e o resíduo de PMMA foi removido com tetra-hidrofurano (THF). Finalmente, as esferas ocas híbridas com multicamadas Ti _0,91 O ₂ / CdS nanoestruturas foram obtidas.

Aparelho experimental

As imagens de amostra de Ti sólido _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS e Ti oco _0,91 O ₂ As esferas híbridas / CdS foram medidas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), respectivamente. As quantidades apropriadas de Ti sólido _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS e Ti oco _0,91 O ₂ As esferas híbridas / CdS foram diluídas por água desionizada para ter densidades de amostra mais baixas. As amostras diluídas foram revestidas por rotação em lamela de sílica para preparar filmes finos para medição óptica com excitação de 266 e 400 nm. As medições ópticas de todas as amostras foram realizadas à temperatura ambiente. Para medições espectrais PL, o laser Ti:Sapphire de 800 nm ps com taxa de repetição de 76 MHz foi usado para gerar o laser de pulso de comprimento de onda de 266 e 400 nm com base na técnica de conversão de segundo e terceiro harmônico, respectivamente. Duzentos e sessenta e seis nanômetros e laser de pulso de 400 nm em um ângulo incidente de ~ 45 ° em relação à direção vertical foi focado na superfície da amostra com uma densidade de potência de ~ 100 W / cm ² . O PL das amostras foi coletado verticalmente por uma objetiva × 60 e enviado ao espectrômetro, e os espectros de emissão do PL foram registrados com um monocromador (Acton SP-2500i, 0,5 m, 150 linhas mm ^{- 1} grade, queimada a 500 nm) equipada com uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD) resfriada por nitrogênio líquido da Princeton Instruments. Para medições de decaimento de PL resolvido no tempo, o PL das amostras foi coletado pelo mesmo objetivo e, em seguida, detectado pelo sistema de contagem de fóton único com resolução de tempo de 250 ps. Além disso, o filtro passa-banda correspondente de 450, 500 e 550 nm com uma largura de banda de 10 nm foi usado para medir efetivamente os diferentes tempos de vida PL de comprimento de onda.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra os níveis de energia de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS, e as nanopartículas de CdS têm um nível de banda de condução mais alto em comparação com o de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas. A imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) das esferas híbridas Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS com várias centenas de nanômetros de comprimento e superfícies lisas são mostradas na Fig. 1b. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) do sólido Ti _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS e Ti oco _0,91 O ₂ / As nanoestruturas de esfera composta de CdS são mostradas na Fig. 1c, d, respectivamente. A Figura 1a mostra os padrões de XRD de PMMA, CdS e Ti puros _0,91 O ₂ / Filme CdS. Comparado com PMMA puro, Ti _0,91 O ₂ / CdS e filme CdS exibem novos picos 2 e 4 indicando a presença da fase cúbica CdS. A composição de Ti _0,91 O ₂ / CdS foi identificado por e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), conforme mostrado na Fig. 1f. Portanto, esferas ocas consistindo em Ti alternado _0,91 O ₂ nanofolhas e CdS QDs foram obtidos. A fim de verificar ainda mais a síntese de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS com base na técnica de automontagem camada por camada, os espectros de absorção e os espectros Raman de Ti _0,91 O ₂ e Ti _0,91 O ₂ / CdS são mostrados no arquivo adicional 1:Figura S1 e Figura S2, respectivamente. Comparado com espectros Raman de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas, os espectros Raman de Ti _0,91 O ₂ / CdS demonstra uma combinação de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS.

a Diagrama de banda de energia de esferas híbridas Ti _0,91 O ₂ e CdS. b Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de Ti _0,91 O ₂ / CdS. c Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) do sólido Ti _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS. d Hollow Ti _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS. e XRD de PMMA, CdS e Ti _0,91 O ₂ / CdS. f Espectro XPS de Ti _0,91 O ₂ / CdS

Os espectros de fotoluminescência (PL) de Ti _0,91 O ₂ (preto), CdS (vermelho) e Ti _0,91 O ₂ / CdS (preto) excitado em 266 nm são mostrados na Fig. 2a. Os picos de fluorescência de Ti _0,91 O ₂ e CdS estão em torno de 450 e 530 nm com a excitação de 266 nm, respectivamente. Porque a energia do bandgap do TiO ₂ é de 3,2 eV, os espectros de PL deslocados para o vermelho observados na Fig. 2a devem ser atribuídos aos níveis de defeito gerados dentro do bandgap de Ti _0,91 O ₂ de modo que buracos gerados no Ti _0,91 O ₂ a banda de valência pode relaxar em diferentes níveis de estado de defeito pelos canais não radiativos e, então, recombinar-se com os elétrons de Ti _0,91 O ₂ , dando origem à emissão óptica do estado de defeito relacionado. Sob a excitação de 266 nm, o pico de emissão de fluorescência em torno de 530 nm das nanopartículas de CdS incorpora um intervalo de energia menor do que o do CdS (2,48 eV). Supomos que a transição não radiativa de elétrons excitados do fundo da banda de condução para diferentes níveis de defeitos ocorre nas nanopartículas de CdS. No entanto, o pico de emissão de fluorescência muda para 500 nm quando o Ti _0,91 O ₂ / Estrutura híbrida CdS excitada a 266 nm. Se excluirmos a contribuição de qualquer Ti _0,91 O ₂ ou CdS para a emissão do espectro desviado para o azul; então, este mecanismo de fluorescência atribui a uma transição óptica indireta (IOT) na interface híbrida de Ti _0,91 O ₂ / Sistema CdS. No tradicional tipo II TiO ₂ / Nanoestrutura de compósito CdS, excitação de luz de TiO ₂ e o CdS irá transferir elétrons da banda de condução superior do CdS para a banda de condução inferior do TiO ₂ e buracos gerados a partir da banda de valor inferior do TiO ₂ para a banda de maior valor de nanopartículas de CdS. Se toda a emissão de PL de Ti _0,91 O ₂ / Esferas ocas de CdS vêm de nanopartículas de CdS, devemos observar o processo de decaimento PL mais rápido causado por um canal de decaimento não radiativo que os elétrons transferem da banda de condução de nanopartículas de CdS para a banda de condução de TiO ₂ devido ao efeito de supressão de fluorescência como no TiO tradicional ₂ / Sistema CdS. Portanto, um novo mecanismo de transferência de elétrons foi proposto para o presente Ti _0,91 O ₂ / Sistema de esfera oca de nanoestrutura híbrida de CdS:os elétrons na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ recombine com buracos na banda de valência de nanopartículas de CdS; então, a emissão com desvio de espectro emerge neste Ti _0,91 O ₂ / Material compósito CdS.

a Espectros PL do Ti _0,91 O ₂ (preto), CdS (vermelho) e Ti _0,91 O ₂ / CdS (azul) amostras excitadas a 266 nm. b Curvas de decaimento PL do Ti _0,91 O ₂ (preto), CdS (vermelho) e Ti _0,91 O ₂ / Amostras CdS (azul) com a excitação de 266 nm

Para estudar melhor a transferência de carga entre os presentes Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e nanopartículas de CdS, medições transitórias de decaimento de PL resolvido no tempo foram realizadas nas amostras excitadas a 266 nm. As curvas de decaimento PL podem ser bem ajustadas à função biexponencial na forma de f ( t ) = A ₁ exp (- t / τ ₁ ) + A ₂ exp (- t / τ ₂ ) O tempo médio de vida τ é calculado pela forma de τ =( A ₁ τ ₁ ² + A ₂ τ ₂ ² ) / ( A ₁ τ ₁ + A ₂ τ ₂ ) e todos os cálculos da vida útil posteriores com base no formulário. Portanto, a vida útil média de PL para Ti _0,91 O ₂ é de 0,43 ns e o tempo de vida médio de PL para CdS é de 0,35 ns, conforme mostrado na Fig. 2b. Mais importante ainda, a vida útil média de PL de Ti _0,91 O ₂ / Estruturas híbridas de CdS aumentaram notavelmente para 3,75 ns em comparação com o tempo de vida PL mencionado acima de apenas Ti _0,91 O ₂ nanofolhas ou nanopartículas de CdS. Com base nos novos mecanismos de transferência de carga de tipo em Ti _0.91 O ₂ / Interfaces híbridas CdS, os elétrons permanecem na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas, mas os buracos podem relaxar para os níveis de estado de defeito ou ser transferidos para os níveis de banda de valência das nanopartículas de CdS. Devido à simetria inferior no Ti _0,91 O ₂ / Interface híbrida CdS, a recombinação óptica dos elétrons na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ e os buracos no nível de banda de valor de CdS causam vida prolongada de PL. No entanto, os resultados do experimento também indicam fraca atividade óptica de Ti _0,91 O ₂ / Nanoestruturas de esfera oca de CdS sob uma excitação de laser de 400 nm e nenhuma ocorrência óbvia de sensibilização de CdS em Ti _0,91 O ₂ . Isso significa que os elétrons na banda de condução do CdS estariam inclinados a recombinar com lacunas na banda de valor do CdS, em vez de se transferirem para a banda de condução do Ti _0,91 O ₂ nanofolhas. Os resultados deste experimento mostram que diferente da fluorescência tradicional do tipo II pode ser bem explicada pela nova separação espacial do tipo II de elétrons e buracos através do Ti _0,91 O ₂ Interface híbrida / CdS. Além disso, para comparar melhor a transferência de carga e a interação eletrônica entre Ti _0,91 O ₂ / CdS e TiO ₂ / CdS, espectros de PL e medições de decaimento de PL resolvido no tempo transiente foram realizados nas amostras Ti _0,91 O ₂ / CdS e TiO ₂ / CdS excitado no comprimento de onda do laser de 266 nm, conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S3 (a). Comparado com TiO ₂ / Esferas CdS, o pico de emissão de Ti _0,91 O ₂ As esferas / CdS mostram o mesmo pico de emissão. No entanto, a vida de decadência prolongada observada em Ti _0,91 O ₂ / CdS esferas ocas revelam que a dinâmica de decaimento para Ti _0,91 O ₂ / CdS esferas ocas são fundamentalmente diferentes do TiO tradicional ₂ / Sistema CdS.

Para investigar mais o mecanismo de transferência de carga interativa entre CdS e Ti _0,91 O ₂ estrutura híbrida, comparamos os espectros PL e as propriedades de decaimento PL de Ti oco e sólido _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS com excitação de 266 e 400 nm, respectivamente. Quando Ti _0,91 O ₂ / CdS é excitado em 266 nm, os elétrons, em última análise, permanecem na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ , e os buracos podem ser transferidos para a banda de valor das nanopartículas de CdS. A recombinação óptica entre elétrons na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ , e buracos na banda de valor de CdS são permitidos. No entanto, o Ti _0,91 O ₂ As esferas sólidas / CdS contêm o molde PMMA e a porção PEI; assim, esses surfactantes orgânicos isolantes dificultam o transporte de carga no Ti _0,91 O ₂ Interface / CdS. Devido ao acoplamento eletrônico entre o CdS e o Ti _0,91 O ₂ estrutura híbrida, a mobilidade do portador de carga pode ser bastante aumentada removendo os surfactantes orgânicos da superfície dos pontos quânticos (QDs). Os espectros de fotoluminescência (PL) e o tempo de vida de decaimento de PL são mostrados na Fig. 3a, b, respectivamente. Os picos PL de Ti _0,91 O ₂ / CdS esferas sólidas foram deslocadas para o vermelho em comparação com Ti _0,91 O ₂ / CdS esfera oca, e a vida média de PL é de 4,25 ns (esferas sólidas) e 3,69 ns (esfera oca), o que implica os orifícios fotoexcitados na banda de valência de Ti _0,91 O ₂ é mais difícil de injetar na banda de valência do CdS em estruturas híbridas sólidas. Os modelos PMMA e PEI foram completamente eliminados para melhorar a interconectividade entre nanofolhas alternadas de CdS e Ti _0,91 O ₂ e levar a um fenômeno de extinção de PL aprimorado e vida útil de decaimento de PL encurtada. Assim, o efeito de extinção de PL em Ti _0,91 O ₂ As estruturas híbridas / CdS são atribuídas à dissociação de elétrons porque o decaimento do branqueamento do aprisionamento de superfície não explica o fenômeno de extinção de PL eficiente. O processo de separação de carga em Ti _0,91 O ₂ / Estruturas híbridas CdS ocorrem através da transferência de buraco da banda de valência de Ti _0,91 O ₂ à banda de valência de nanocristais de CdS com base na nova transição óptica indireta tipo II em um Ti compactado _0,91 O ₂ / CdS nanoestruturas híbridas. Assim, o tempo de vida de recombinação do portador por transição óptica indireta diminuiu de 4,25 ns (esfera sólida) para 3,69 ns (esfera oca).

a Espectros PL de Ti oco _0,91 O ₂ / CdS (preto) e Ti sólido _0,91 O ₂ / CdS (vermelho) amostras excitadas a 266 nm. b Curvas de decaimento PL de Ti oco _0,91 O ₂ / CdS (preto) e Ti sólido _0,91 O ₂ / CdS (vermelho) amostras com excitação de 266 nm. c Espectros PL de Ti oco _0,91 O ₂ / CdS (preto) e Ti sólido _0,91 O ₂ / CdS (vermelho) amostras excitadas a 400 nm. d Curvas de decaimento PL de Ti oco _0,91 O ₂ / CdS (preto) e Ti sólido _0,91 O ₂ / Amostras CdS (vermelho) com excitação de 400 nm

Ajustando os comprimentos de onda de excitação para 400 nm em maior potência de excitação, os espectros de PL e a dinâmica de decaimento de PL resolvido no tempo transiente foram medidos. Os resultados mostram que os espectros de PL fracos com 10 vezes o tempo integrado são mostrados na Fig. 3c, e o tempo de vida médio de PL (0,59 ns) de Ti _0,91 O ₂ / Estruturas híbridas sólidas de CdS são mais curtas do que o tempo de vida PL (0,45 ns) de Ti _0,91 O ₂ / CdS estruturas híbridas ocas como mostrado na Fig. 3d, sugerindo que CdS tem maior taxa de transferência de elétrons para Ti _0,91 O ₂ de acordo com o tradicional tipo II Ti _0,91 O ₂ / Heteroestrutura CdS. Em comparação com o caso de excitação de 266 nm, a vida útil mais curta de PL com excitação de 400 nm indica que o efeito de extinção de PL é ainda mais aprimorado devido à recombinação óptica entre elétrons e lacunas no Ti _0,91 O ₂ / Sistema CdS ou o desperdício de orifícios por fotocorrosão nas nanopartículas de CdS. Portanto, o Ti _0,91 O ₂ / As esferas híbridas ocas de CdS mostram atividade óptica fraca sob uma excitação de laser de 400 nm, e nenhuma sensibilização óbvia surge no Ti _0,91 O ₂ / Esferas híbridas CdS.

Para investigar melhor as vias de relaxamento do portador de carga em Ti _0,91 O ₂ / Interface híbrida oca CdS, os espectros de PL dependentes da intensidade de excitação no Ti _0,91 O ₂ / CdS estruturas esféricas híbridas foram investigadas sob uma excitação a laser de 266 nm. Sob uma intensidade de baixa excitação de 266 nm, observamos primeiro que o pico de 475 nm é dominante no espectro PL. Com o aumento da potência de excitação, a intensidade do espectro PL correspondente variou em função da potência de excitação variando de 300 a 1000 W / cm ² e o comprimento de onda do pico central do espectro PL muda de 475 para 560 nm, como mostrado na Fig. 4a. Atribuímos provisoriamente à transferência de elétrons da banda de condução de Ti _0,91 O ₂ à banda de condução de CdS quando Ti _0,91 O ₂ / As nanoestruturas híbridas de CdS foram estimuladas por um laser de 266 nm de maior potência; então, a recombinação elétron-buraco ocorre entre elétrons na banda de condução de CdS e buracos na banda de valência ou o nível de defeito de nanopartículas de CdS de acordo com o mecanismo de recombinação tipo I, conforme mostrado na Fig. 4b. Esses espectros de PL variados mostram que o desvio para o vermelho ocorre com o aumento da potência de excitação. Tais resultados confirmam a diferente natureza e origem do comprimento de onda das emissões em 475 e 560 nm, respectivamente. Assim, o comprimento de onda de emissão de 475 nm indica a propriedade de emissão do tipo II e o comprimento de onda de emissão de 560 nm reflete a propriedade de emissão do tipo I. Os espectros deslocados com a potência de excitação indicam o mecanismo de competição entre canais de recombinação espacialmente direta e indireta em Ti _0,91 O ₂ / Interfaces compostas CdS. Com o contínuo, aumentando a potência de excitação, mais elétrons com transferência de excitação de alta potência da banda de condução de Ti _0,91 O ₂ à banda de condução de nanopartículas de CdS, levando a uma razão de intensidade fortemente crescente entre o comprimento de onda central 560 e 475 nm, e a razão de intensidade de fotoluminescência de dois picos de emissão pode chegar a 3,5, como mostrado na Fig. 4c. No entanto, a intensidade de fotoluminescência fraca implica que a transferência de elétrons da banda de condução de Ti _0,91 O ₂ à banda de condução de nanopartículas de CdS desempenha apenas um papel menor no aparecimento de emissão de PL.

a Dependência da potência de excitação dos espectros PL. b Transferência de elétrons da banda de condução de Ti _0,91 O ₂ para CdS com excitação de alta potência. c A relação de intensidade PL integrada entre o comprimento de onda central 560 e 475 nm. d As medições de PL resolvidas no tempo para 450, 500 e 550 nm com comprimento de onda de excitação de 266 nm

Para verificar ainda mais os dois tipos de mecanismos de transição com diferentes potências de excitação no Ti _0,91 O ₂ / CdS esferas ocas, o experimento de fotoluminescência resolvida no tempo dependente do comprimento de onda de sondagem (TRPL) foi realizado com diferentes densidades de potência de excitação. É adequado para monitorar a transferência do portador de carga ou o processo de recombinação elétron-buraco no Ti _0,91 O ₂ Interface / CdS. Os tempos de vida TRPL de Ti _0,91 O ₂ / CdS foram medidos com diferentes comprimentos de onda de sonda a 450, 500 e 550 nm, respectivamente. E o filtro passa-banda correspondente de 450, 500 e 550 nm com uma largura de banda de 10 nm foi usado. O TRPL fornece tempos de vida de decaimento mais longos (3,72 ns) em comprimento de onda mais curto (450 nm) no Ti _0,91 O ₂ / Interface CdS como mostrado na Fig. 4d por causa da separação espacial dos portadores de carga nas estruturas compostas com os elétrons na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas e buracos na banda de valência de nanopartículas de CdS. Essas estruturas híbridas do tipo II reduzem a intensidade de PL devido à menor sobreposição entre as funções de onda de elétron e buraco e, consequentemente, aumenta o tempo de vida de recombinação de PL. No entanto, os tempos de vida PL (1,61 ns) em comprimento de onda mais longo (550 nm) tornam-se mais rápidos devido ao aumento da sobreposição de função de onda entre a banda de condução de elétrons (CB) e a banda de valência (VB) nas nanopartículas de CdS, como mostrado na Fig 4d. Estas descobertas revelam claramente que os portadores fotoexcitados no Ti _0,91 O ₂ / CdS faz uma contribuição significativa para os tempos de vida mais longos do PL. Esta evidência confirma ainda que o PL dominante é da recombinação entre o elétron no CB de Ti _0,91 O ₂ e buraco no VB de nanopartículas de CdS. Estas descobertas confirmam que os elétrons na banda de condução de Ti _0,91 O ₂ nanofolhas se recombinam com orifícios na banda de valência das nanopartículas de CdS por meio de transição óptica indireta que é diferente do TiO tradicional ₂ / Sistema CdS. Essa vida útil prolongada do portador torna o Ti _0,91 O ₂ / Nanoestrutura de compósito CdS mais adequada para aplicações fotovoltaicas. Para caracterizar a capacidade das amostras sintéticas, curvas J − V lineares foram registradas como mostrado no arquivo adicional 1:Figura S4. O grande aumento da fotocorrente após a sensibilização CdS mostra a vantagem do Ti _0,91 O ₂ / CdS comparado ao Ti _0,91 O ₂ com iluminação leve. Portanto, um carregamento maior do fotossensibilizador levará a uma densidade de fotocorrente maior.

Conclusões

Em resumo, detectamos novas propriedades de transição óptica indireta (IOT) no PEI / Ti multicamadas _0,91 O ₂ / PEI / CdS nanoestruturas híbridas dos espectros de PL e medições de PL resolvidas no tempo. A partir da medição espectral PL e TRPL, a emissão de luz de deslocamento vermelho para azul emerge neste novo material composto. E vida útil prolongada de fotoluminescência de Ti _0,91 O ₂ / Nanoestrutura de compósito CdS comparada apenas com Ti _0,91 O ₂ esferas ou nanopartículas de CdS. Estes resultados demonstram um novo mecanismo de recombinação fotoluminescente devido à recombinação óptica entre buracos no nível de banda de valor de CdS e elétrons no nível de banda de condução de Ti _0,91 O ₂ que é diferente do TiO tradicional ₂ / Sistema composto CdS. Ajustando os comprimentos de onda de excitação e a potência de excitação, os espectros PL e os tempos de vida PL de Ti _0,91 O ₂ As estruturas híbridas / CdS exibem um comportamento dependente do comprimento de onda de excitação e da potência de excitação. A partir das configurações de bandgap, o IOT para Ti _0,91 O ₂ A estrutura híbrida / CdS que leva a uma vida útil prolongada do portador permite a separação e extração do portador de carga para as aplicações importantes em sistema fotovoltaico.

Abreviações

IOT:: Transição óptica indireta
PL:: Fotoluminescência
PMMA:: Metacrilato de polimetila
QDs:: Pontos quânticos
TRPL:: Fotoluminescência resolvida pelo tempo

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