Obtención de nanopartículas de ZnO por rutas químicas : Estudio de sus propiedades ópticas

Abstract

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo determinar el efecto del tamaño, la morfología y método de síntesis, así como el dopado del óxido de zinc (ZnO) con praseodimio (Pr) sobre las propiedades ópticas del ZnO. Se buscó principalmente obtener solidos sintetizados con buenas propiedades ópticas, realizando un proceso de síntesis de bajo costo. Para el desarrollo metodológico se utilizó: precursor, acetato de cinc hidratado con una concentración de 0.2M y solventes (ácido acético, etanol, etilenglicol y agua), y como dopante praseodimio. Al suministrarle acetato de praseodimio hidratado a la suspensión se disoció liberando el ión Pr. Sintetizados los sólidos ZnO y ZnO-Pr, se caracterizaron aplicando técnicas de infrarrojo con transformada de Fourier y espectroscopía Raman nos llevó a determinar los grupos funcionales de los productos, microscopía electrónica de barrido mostró que las partículas sintetizadas tenían diferente morfología. La difracción de rayos X determinó que los cristalitos tenían un tamaño nanométrico, además nos entregó que la estructura cristalina correspondía a una cristalización wurtzita, así como determinar si el praseodimio es parte de la estructura del ZnO conformando una estructura ZnO-Pr. La técnica de espectroscopía UV-vis nos permitió evidenciar posibles transiciones que ocurrían cuando las muestras sintetizadas se irradiaron con frecuencias del ultravioleta y luz visible, transiciones entre los orbitales localizados así como banda a banda. Otra técnica aplicada a las muestras sintetizadas que determinó otra propiedad óptica de los materiales fue la fotoluminiscencia que mostró la emisión radiativa al recombinarse portadores de carga libre y excitones. Todo esto logró evidenciar que los sólidos sintetizados ZnO y ZnO-Pr mostraban diferente morfología, gap y concentración de defectos puntuales intrínsecos, extrínsecos y estructurales así como superficiales. Al deconvolucionar los espectros fotoluminiscentes entregó bandas ubicadas en la región del infrarrojo cercano (NIR) (λ≤ 748nm), indicando la presencia de fonones, además de la emisión de luz con bandas de energía ubicadas en el anaranjado (λ= 621nm), amarillo ((λ= 568nm) y parte del verde (λ= 504nm) indicando la presencia de estados energéticos creados por los diferentes defectos de cada sólido sintetizado. Por último la curva de valoración potenciométrica para cualquier método de síntesis por rutas químicas debe ser muy bien llevada porque ella nos define las etapas del proceso y la reproducibilidad del fenómeno.

The aim of this research is to determinate the effect of size, morphology and the method of synthesis and the doped zinc oxide (ZnO) with praseodymium (Pr) on the optical properties of ZnO, looking for primarily the solid synthesized with good optical properties, making a low economic cost of a process of synthesis. The methodology employed used as the precursor hydrated zinc acetate with a concentration of 0.2M and solvent (acetic acid, ethanol, ethylene glycol and water), and praseodymium was used as dopant. When applying the techniques of FTIR, Raman, MET, DRX, UV-vis and PL. The result evidenced that the synthesized solids showed the different morphology, the gap and the concentration of intrinsic point, extrinsic and structural defects as well as surface. The different density of defects when decompressing PL spectroscopy between a single modulation that indicates the presence of phonons, in addition to the emission of light with the bands of energies located in orange, yellow and part of green. Finally, modifying the crystal structure of the dopant left its mark creating states within the opening of the synthesized semiconductor, that the synthesized solid excited formed the excitons that after a short period of time they recombine emitting frequencies between red and infrared.