Bola Hibrid Ti0.91O2/CdS: Sintesis, Karakterisasi Struktural, dan Transisi Optik Tak Langsung Luar Biasa

Abstrak

Kami melaporkan pembuatan bola hibrid nanosheet Ti₀.₉₁O₂/titik kuantum CdS melalui jalur self-assembly lapis demi lapis. Pengukuran fotoluminesensi (PL) mengungkapkan geser spektral yang terprona dan umur PL yang sangat panjang sebesar 3,75 ns, dibandingkan dengan 0,43 ns untuk Ti₀.₉₁O₂ sendirian dan 0,35 ns untuk CdS. Peningkatan ini timbul dari transisi optik tak langsung tipe-II baru (IOT) yang memisahkan spasial elektron di Ti₀.₉₁O₂ dan lubang di CdS, sehingga memperpanjang waktu rekombinasi penanggung muat. Temuan ini mendirikan platform yang kuat untuk perangkat fotovoltaik dan optoelektronik yang memerlukan pemisahan muat yang efisien.

Latar Belakang

Komposit semikonduktor yang menggabungkan tepi valensi dan konduksi dua materi menawarkan performa superior dalam perangkat fotovoltaik dan pemancar cahaya [1–4]. Heterostruktur tipe-II, di mana elektron dan lubang tinggal di lapis yang berbeda, sangat menarik karena mereka dapat memperpanjang umur penanggung muat dan menekan rekombinasi [5–11]. TiO₂ adalah fotokatalis yang telah banyak dipelajari namun bandgap lebarnya (3,2 eV) membatasi aktivitas cahaya visibel. Pengkaitan nanosheet TiO₂ dengan titik kuantum CdS (bandgap 2,4 eV) dapat menggeser penyerapan ke cahaya visibel dan meningkatkan ekstraksi muat [14–18, 19–21]. Meskipun komposit TiO₂/CdS telah banyak dipelajari, fotofisika dasar bola hibrid Ti₀.₉₁O₂/CdS masih kurang dieksplorasi. Karya ini menjawab kesenjangan itu dengan karakterisasi spektrum PL, peluruhan PL terdefinisi waktu, dan mekanisme transfer muat yang mendasarinya dalam nanostruktur ini.

Metode

Sintesis Bola Hibrid

Bola polimetil metakrilat (PMMA) pertama kali dilapisi dengan polietilenimin protonik (PEI) untuk memberikan permukaan yang bermuatan positif. Lapisan selangbal dari nanosheet Ti₀.₉₁O₂ dan nanopartikel CdS yang bermuatan negatif kemudian ditetapkan melalui adsorpsi elektrostatis. Pengulangan siklus PEI/Ti₀.₉₁O₂/PEI/CdS menghasilkan bola hibrid berlapis PEI/Ti₀.₉₁O₂/PEI/CdS. Radiasi mikrogas menghapus PEI dan mendekomposisi inti PMMA, menghasilkan bola Ti₀.₉₁O₂/CdS berongga; PMMA sisa diekstrak dengan tetrahidrofuran (THF). Bola hibrid padat dan berongga yang dihasilkan dikarakterisasi dengan TEM dan SEM.

Karakterisasi Optik

Sampel dilapisi dengan spin-coating pada selang kaca silica dan dieksciter dengan pulsa laser 266 nm dan 400 nm yang dihasilkan dari laser Ti:Sapphire (fundamental 800 nm) menggunakan konversi harmonik kedua dan ketiga. Spektrum PL direkam dengan monokromator Acton SP-2500i dan CCD Princeton Instruments. Peluruhan PL terdefinisi waktu (TRPL) diukur dengan sistem penghitung satu foton 250 ps, dengan filter lolos pita pada 450, 500, dan 550 nm.

Hasil dan Pembahasan

Konfirmasi Struktural. Gambar SEM dan TEM mengonfirmasi bola berongga skala mikron yang halus dengan lapisan selangbal Ti₀.₉₁O₂ dan titik kuantum CdS (Gambar 1b–d). Pola XRD menunjukkan puncak khas kubik CdS (puncak 2 dan 4) yang tidak ada dalam PMMA murni, mengonfirmasi pembentukan komposit yang berhasil. Spektra XPS (Gambar 1f) memverifikasi komposisi Ti₀.₉₁O₂/CdS.

Spektrum Fotoluminesensi. Pada ekscitasi 266 nm, Ti₀.₉₁O₂ memancarkan di dekat 450 nm dan CdS di dekat 530 nm. Bola hibrid Ti₀.₉₁O₂/CdS memancarkan puncak yang digeser ke biru pada 500 nm, menunjukkan IOT di antarmuka. Geser ini tidak ada pada ekscitasi 400 nm, menunjukkan aktivasi selektif jalur tipe-II.

Fotoluminesensi Terdefinisi Waktu. Fitting bieksponensial data TRPL menghasilkan umur rata-rata 0,43 ns (Ti₀.₉₁O₂) dan 0,35 ns (CdS). Bola hibrid menunjukkan umur yang sangat diperpanjang sebesar 3,75 ns, menunjukkan pengurangan rekombinasi karena pemisahan muat spasial. Bola hibrid padat (dengan sisa PEI/PMMA) menunjukkan umur sedikit lebih lama (4,25 ns) daripada yang berongga (3,69 ns), menekankan pentingnya menghapus surfactant isolator untuk meningkatkan transfer muat.

Ketergantungan Daya Ekscitasi. Peningkatan daya 266 nm menggeser puncak PL dari 475 nm ke 560 nm, mencerminkan persaingan antara rekombinasi tipe-II (Ti₀.₉₁O₂ → CdS) dan tipe-I (internal CdS). Emisi 560 nm tumbuh lebih cepat dengan daya, namun tetap lebih lemah secara keseluruhan, menunjukkan bahwa transfer elektron ke konduksi CdS memainkan peran minor dalam emisi.

TRPL Bergantung Panjang Gelombang. Umur peluruhan pada 450 nm (3,72 ns) melebihi pada 550 nm (1,61 ns), mengonfirmasi bahwa rekombinasi di antarmuka Ti₀.₉₁O₂/CdS lebih lama karena tumpukan elektron–lubang yang berkurang. Umur yang diperluas ini menguntungkan untuk aplikasi fotovoltaik di mana ekstraksi muat sangat penting.

Pengukuran J–V linier (Supplementary Fig. S4) menunjukkan peningkatan arus foto setelah sensitisasi CdS, yang lebih mendukung performa pemisahan muat yang superior dari bola hibrid ini.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan transisi optik tak langsung baru dalam bola hibrid Ti₀.₉₁O₂/CdS yang menghasilkan emisi PL yang digeser ke biru dan peningkatan dramatis dalam umur. Pemisahan lubang–elektron tipe-II di seluruh antarmuka Ti₀.₉₁O₂/CdS mendasari perilaku ini. Dengan menyesuaikan panjang gelombang dan daya ekscitasi, kita dapat memodulasi karakteristik emisi, menawarkan platform yang dapat disesuaikan untuk perangkat optoelektronik dan fotovoltaik.

Singkatan

IOT

Transisi optik tak langsung

PL

Fotoluminesensi

PMMA

Polimetil metakrilat

QDs

Titik kuantum

TRPL

Fotoluminesensi terdefinisi waktu