Peningkatan Reflektansi Difusi dan Sifat Mikrostruktur Lapisan Nanokomposit Titanium Dioksida Hibrida

Hasil dan Diskusi

Sifat Reflektansi Difusi dari Empat Jenis TiO Berstruktur Mikro₂ Pelapis

Di sini, kami telah membuat empat jenis lapisan berstruktur mikro seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Mereka adalah lapisan nanokristal murni, lapisan campuran dan lapisan bilayer dengan rakitan nanokristal dan spheroidal ellipsoidal, dan lapisan rakitan spheroidal murni, masing-masing, dan diberi label sebagai nanocrystal, blend, bilayer , dan nanosfer. Perlu dicatat bahwa perbedaan proses yang menyebabkan struktur pelapis ini terutama berasal dari bahan pelapis yang berbeda dan urutan persiapan. Lapisan perakitan nanocrystal dan spheroidal murni dibuat oleh TiO₂ nanocrystals dan rakitan spheroidal, masing-masing. Tapi untuk lapisan campuran, nanocrystals ellipsoidal dan rakitan spheroidal sama-sama dicampur dalam berat. Lapisan bilayer dibangun dengan metode doctor-blade melalui kalsinasi dua langkah seperti yang dinyatakan dalam “Fabrikasi TiO Hibrida₂ Lapisan Nanokomposit”. Pertama, bubur nanocrystal disebarkan ke substrat. Dan kemudian, setelah kalsinasi, lapisan lain dari bubur rakitan bulat diendapkan pada lapisan semi-transparan dan dianil dengan profil pemanasan yang sama. Struktur dari empat pelapis yang dibuat dicirikan oleh mikroskop elektron pemindaian emisi medan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a–d. Ketebalan semua lapisan dibatasi hingga 14 μm, dan lapisan bilayer terdiri dari lapisan nanokristal elips dan lapisan rakitan bulat dengan ketebalan yang sama (~ 7 m). Sebagai TiO₂ nanocrystals tumbuh dengan ukuran yang berbeda, mereka akhirnya berkumpul untuk menghasilkan diameter bola yang berbeda. Pada Gambar 1 diperoleh ukuran TiO ellipsoidal₂ perakitan nanocrystal dan spheroidal masing-masing sekitar 20 dan 100 nm.

Gambar SEM dari lapisan berstruktur mikro:a lapisan nanokristal, b lapisan campuran, c lapisan bilayer, dan d lapisan nanosfer. Ketebalan lapisan dibatasi pada ~ 14 μm

Reflektansi difus keempat sampel diukur menggunakan spektrofotometer. Rentang panjang gelombang pengukuran adalah 400–800 nm yang mencakup wilayah tampak yang relevan untuk kerja layar dan sel surya. Hasil yang diperoleh disajikan pada Gambar 2a. Dari Gambar 2a, dapat dilihat bahwa lapisan campuran yang dibangun dari campuran kristal nano elips dan rakitan spheroidal menunjukkan reflektansi yang lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan kristal nano murni. Tapi, meskipun rasio nanocrystals ke bola polimer kira-kira sama dalam lapisan ini, reflektansi difus dari lapisan bilayer masih lebih tinggi daripada lapisan campuran. Ini menunjukkan bahwa sifat hamburan pelapis yang dibuat oleh rakitan spheroidal mungkin lebih baik daripada nanocrystals. Memang, dibandingkan dengan tiga lapisan lainnya, lapisan nanosfer memiliki efek hamburan terbaik karena lapisan tersebut semata-mata dibangun oleh rakitan spheroidal.

a , b Spektrum reflektansi difus dari empat sampel dengan ketebalan yang sama (~ 14 μm) dan lapisan nanosfer yang dioptimalkan dengan ketebalan yang berbeda, masing-masing

Sekarang, jelas bahwa rakitan spheroidal sederhana ini, yang terdiri dari TiO ellipsoidal₂ nanocrystals, dapat dianggap sebagai partikel hamburan superior untuk meningkatkan reflektansi difus. Tapi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, reflektansi rata-rata untuk lapisan nanosfer adalah sekitar 55%, tetapi untuk rentang panjang gelombang tertentu (misalnya,> 700 nm), reflektansi menjadi kurang dari 50%. Selain itu, perlu dicatat di sini bahwa nilai reflektansi merosot di wilayah yang terlihat, menunjukkan efek hamburan yang lemah dari foton berenergi rendah yang disebabkan oleh sel satuan ukuran kecil.

Untuk lebih mengoptimalkan reflektansi difus dari lapisan rakitan spheroidal murni, ukuran nanocrystals dan rakitan spheroidal ditingkatkan melalui penyesuaian dosis prekursor. Spektrum reflektansi difus yang diukur sesuai dengan lapisan nanosfer yang dioptimalkan dengan ukuran sel satuan yang diperbesar dan untuk ketebalan yang berbeda (8, 10, dan 12 μm) ditunjukkan pada Gambar. 2b. Untuk ketebalan lapisan nanosfer 8 m, reflektansi rata-rata meningkat di atas 40% dan tetap tinggi di seluruh rentang panjang gelombang. Tapi seperti yang diamati pada Gambar. 2b, reflektansi lapisan nanosfer sangat tergantung pada ketebalan atau, dengan kata lain, pada fraksi pengepakan sel satuan. Ketika ketebalan lapisan tipis, fraksi pengepakan nanokristal elips dalam rakitan spheroidal menurun. Bahkan jika ukuran komponen sferis telah dioptimalkan, struktur sferoid hibrida dari lapisan tipis tidak dapat melindungi hamburan cahaya dengan benar. Dan sebagian besar cahaya datang langsung ditransmisikan oleh lapisan. Di sisi lain, cenderung ada lebih banyak lobus dalam diagram hamburan di dekat arah di mana partikel menyajikan lebar besar daripada di dekat arah yang proyeksi lebarnya lebih kecil [25]. Perhatikan bahwa TiO ellipsoidal₂ nanocrystals berorientasi dengan sumbu simetri mereka miring ke berkas insiden menyebar asimetris tentang arah maju pada Gambar. 2b. Ini berarti bahwa cahaya datang akan dihamburkan secara acak oleh rakitan spheroidal yang terdiri dari TiO ellipsoidal multi-berorientasi₂ nanokristal. Dengan demikian, adalah mungkin untuk mendapatkan reflektansi difus yang lebih tinggi dari lapisan nanosfer yang lebih tebal, karena di mana hamburan ke depan dapat ditekan oleh TiO ellipsoidal multi-orientasi₂ kristal nano.

Detail Struktural TiO Hibrida₂ Lapisan Nanosfer

Informasi tentang sifat struktural lapisan nanosfer yang digunakan pada Gambar 2b dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 3. Seperti yang digambarkan pada Gambar 3a, diameter rakitan spheroidal berkisar antara 100 hingga 600 nm, dengan ukuran rata-rata 330 nm. Secara umum, untuk nanospheres yang cukup besar (jari-jari bola volume yang sama lebih besar dari sekitar 300 nm pada pita tampak), semakin besar bola, semakin berat arah hamburan ke depan dibandingkan dengan arah hamburan balik [25]. Tetapi seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 3b, gambar SEM yang diperbesar menunjukkan bahwa nanosfer dirakit dari kristal nano elipsoidal multi-berorientasi dengan diameter beberapa nanometer dan panjang beberapa puluh nanometer. Dibandingkan dengan bola yang terdefinisi dengan baik dengan diameter seragam, rakitan bola dapat meningkatkan hamburan mundur dari sinar cahaya yang datang dan menghasilkan refleksi difus yang lebih baik ketika digunakan sebagai reflektor difus. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, detail struktural dari rakitan spheroidal ini dapat diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi (Tecnai F30). Gambar TEM yang sesuai menunjukkan bahwa rakitan spheroidal ini memiliki struktur mesopori (Gbr. 3c). Selain itu, nanocrystals elipsoidal di permukaan bola menunjukkan ujung tajam dan konfigurasi seperti gelendong (Gbr. 3d). Seperti diketahui, ketidakteraturan geometri pada permukaan dapat membawa respon hamburan cahaya yang cukup besar [8, 9, 21]. Bahkan, menggunakan TiO serupa₂ nanospindles sebagai overlayer hamburan dalam sel surya, hamburan cahaya yang efisien telah diamati secara eksperimental [26]. Di sisi lain, penyelidikan tentang variasi ketebalan lapisan dapat diterapkan untuk menunjukkan beberapa perbedaan penting antara proses permukaan dan proses curah. Jelas bahwa hamburan massal meningkat dengan ketebalan lapisan lapisan nanosfer seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, karena itu tergantung pada integral dalam volume medan elektromagnetik orde nol stasioner [10]. Dengan demikian, ada kemungkinan bahwa hamburan curah dan permukaan mendapat manfaat dari lapisan nanosfer ini. Selanjutnya, dalam gambar TEM resolusi tinggi dari area ujung nanospindle individu (Gbr. 3e), pinggiran kisi yang terdefinisi dengan baik dengan jarak antar bidang 0,35 nm menunjukkan bahwa nanospindle primer sangat mengkristal. Demikian pula, pola XRD dari lapisan nanosfer menunjukkan bahwa produk menunjukkan struktur yang terkristalisasi dengan baik (difraktometer Rigaku D/max-2500 dengan radiasi Cu Kα, = 0.1542 nm, 40 kV, 100 mA), di mana semua puncak difraksi dapat diindeks ke anatase TiO₂ (JCPDS no. 21-1271). Jelas bahwa puncak difraksi milik (103), (004), dan (112) terintegrasi bersama, menunjukkan pelebaran puncak difraksi karena ukuran partikel yang berbeda.

a , b SEM, c , d TEM, dan e gambar TEM resolusi tinggi dari lapisan nanosfer. d , e gambar TEM yang diperbesar yang memberikan detail area yang sesuai dengan kotak merah di (c , d ), masing-masing. Pola XRD dari lapisan nanosfer (f )

Mekanisme Hamburan yang Mendasari TiO Hibrida₂ Lapisan Nanosfer

Untuk mengeksplorasi sifat struktur ini, simulasi FDTD dilakukan menggunakan model dengan ukuran geometris yang identik dengan sampel yang diukur dalam percobaan oleh perangkat lunak komersial (FDTD Timur, teknologi Dongjun, Shanghai, Cina). Model yang sesuai dari lapisan nanosfer yang digunakan dalam simulasi FDTD ditunjukkan pada Gambar. 4a. Panjang L dan radius R nanocrystal ellipsoidal dipilih masing-masing sebagai 60 nm dan 30 nm. Dan rakitan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3) ditumbuhkan melalui struktur nanocrystals yang padat. Untuk menyederhanakan pertimbangan, ketebalan lapisan yang berbeda diganti dengan mengubah jumlah lapisan nanosfer. Profil medan listrik untuk panjang gelombang 600 nm ditunjukkan pada Gambar 4b, di mana cahaya melalui lapisan dihamburkan secara merata oleh lapisan dan beresonansi di dalam rakitan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa, ketika cahaya datang dari sisi atas lapisan nanosfer, ia terperangkap oleh rakitan dan secara bertahap menyimpang ke belakang karena kristal nano multi-orientasi dan efek hamburan. Faktanya, perilaku hamburan mundur cahaya di lapisan nanosfer tergantung pada jumlah rakitan bola. Seperti dapat dilihat pada Gambar 4c, reflektansi lapisan nanosfer tiga lapis telah ditingkatkan secara signifikan dalam pita panjang gelombang tampak yang sesuai dengan lapisan tunggal/dua lapis.

a Skema rakitan nanosfer:dari kiri ke kanan, perspektif, tampilan depan, sel unit rakitan, dan tiga lapisan lapisan nanosfer yang digunakan dalam simulasi FDTD, masing-masing. b Profil medan listrik dalam tiga lapisan lapisan nanosfer. c Reflektansi difus yang dihitung dari lapisan nanosfer

Properti Reflektansi Spekuler Bergantung Polarisasi TiO Hibrida₂ Lapisan Nanosphere dengan Ketebalan Berbeda

Seperti diketahui, spektrum refleksi dari hampir semua jenis kristal titanium dioksida berada di daerah ultraviolet di bawah 400 nm [27, 28]. Oleh karena itu, titanium dioksida sering muncul di banyak kosmetik tabir surya yang bertujuan untuk mengurangi kerusakan sinar ultraviolet pada kulit manusia. Namun, di wilayah cahaya tampak, efisiensinya menurun seiring dengan meningkatnya transmitansi. Ada signifikansi besar tentang cara meningkatkan efisiensi pantulan titanium dioksida di wilayah cahaya tampak.

Kami selanjutnya menganalisis reflektansi spekular yang bergantung pada polarisasi dari lapisan nanosfer menggunakan spektrofotometer (Agilent Carry 5000). Hasil yang diperoleh untuk pelapisan nanosfer yang dioptimalkan pada dua ketebalan berbeda (8 dan 12 m) ditunjukkan pada Gambar 5. Reflektifitas spekular dari dua sampel di wilayah spektral 400–700 nm dipertahankan pada tingkat rendah (kurang dari 2%, yang membuktikan diskusi sebelumnya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan nanosfer memiliki kemampuan yang kuat dalam menekan refleksi gelombang elektromagnetik spektral di wilayah spektral 400-700 nm untuk insiden normal dan sudut lebar. Namun, reflektansi specular dari dua sampel dalam rentang 700–800 nm memiliki tren kenaikan yang signifikan untuk sudut dan polarisasi yang berbeda. Fenomena anomali ini mungkin berasal dari efek nanotopografi titanium dioksida. Sebelumnya, telah ditunjukkan bahwa lapisan reflektif yang terdiri dari titanium dioksida dengan topografi struktural yang berbeda memiliki pengaruh besar pada pita refleksi. Misalnya, hamburan cahaya titanium dioksida sekitar 400 nm dan 700 nm dapat ditingkatkan dengan mengadopsi struktur yang berbeda, nanorod, nanowire, dan nanosphere [29]. Di sini, hasil kami juga membuktikan hal ini.

Reflektansi spekular lapisan nanosfer dengan ketebalan berbeda untuk s- (a ) dan p- (b ) polarisasi, masing-masing

Selain itu, bandwidth dan amplitudo reduksi refleksi spekular tidak sensitif terhadap polarisasi cahaya datang dan ketebalan lapisan. Sebagaimana dinyatakan di atas, sifat-sifat khusus ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa rakitan bola adalah kumpulan dari banyak partikel yang berorientasi secara acak, yang mungkin juga bersifat anisotropik. Namun, hasilnya juga menunjukkan bahwa polarisasi yang tepat mungkin berdampak pada efisiensi pantulan lapisan, yang memberikan lebih banyak kemungkinan untuk desain masa depan.