Synthèse et étude des caractéristiques optiques des structures sphériques hybrides Ti0.91O2/CdS

Contexte

Les nanostructures composites semi-conductrices ont attiré plus d'attention en raison de l'assemblage optimal de la bande de conduction et de la bande de cantonnière pour les applications photovoltaïques et autres dispositifs optoélectroniques [1,2,3,4]. La séparation spatiale de l'électron et du trou dans les nanostructures composites semi-conductrices de type II peut entraîner une durée de vie prolongée des porteurs de charge qui présente des caractéristiques optiques souhaitables pour des applications telles que les sources lumineuses [5, 6], les lasers [7,8,9] et dispositifs photovoltaïques [10, 11]. De nombreuses études sur l'effet de transition optique indirecte (IOT) dans les nanostructures composites de type II ont été rapportées au cours des dernières années. Par exemple, le phénomène IOT a été signalé dans des nanostructures de sphères hybrides ultrafines comprenant de l'oxyde de graphène et du TiO₂ nanofeuillets [12] ou système de points quantiques couplés [13]. Ces dernières années, TiO₂ est un matériau optique important qui a été largement étudié en raison de ses propriétés optiques exceptionnelles pour une utilisation dans la photocatalyse et les cellules solaires, mais la large bande interdite (3,2 eV) de TiO₂ limite sa propriété photocatalytique dans la région UV. Afin d'exploiter largement l'activité optique dans la région de la lumière visible, la surface de TiO₂ Les nanofeuilles recouvertes de points quantiques ont été étudiées comme une alternative supérieure aux cellules solaires à colorant [14,15,16,17,18]. Particulièrement important, le système composite de TiO₂ Les nanofeuillets couplés à des points quantiques CdS (QD) ont été largement étudiés pour diverses applications en raison de leur bande interdite appropriée (2,4 eV) et d'excellentes propriétés optiques [19,20,21]. En combinant ces fonctionnalités, le TiO₂ Les structures hybrides /CdS ont été récemment mises en évidence comme un système unique [22,23,24,25,26]. De plus, les nanoparticules de CdS enrobées de TiO₂ les nanofeuillets peuvent grandement améliorer son activité optique. Jusqu'à présent, la séparation des excitons et l'extraction des porteurs sont le principal goulot d'étranglement pour obtenir des cellules solaires sensibilisées aux matériaux hautement efficaces. Cependant, des études fondamentales sur la dynamique des porteurs photoexcités à base de TiO₂ Les sphères hybrides /CdS sont limitées. Par conséquent, les propriétés de photoluminescence (PL) et les désintégrations de PL résolues en temps des nanostructures composites constituées d'une alternance de Ti_0.91 O₂ les nanofeuillets et les nanoparticules de CdS sont étudiés dans cet article. À partir des spectres PL et des mesures de désintégration PL résolues en temps, la nouvelle transition optique indirecte de type II contribue à clarifier le nouveau mécanisme d'émission de fluorescence des nanostructures composites constituées de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets et nanoparticules de CdS différentes des TiO₂ traditionnels /Systèmes de transition radiative de fluorescence /CdS. Les spectres PL dépendants de la puissance d'excitation et de la longueur d'onde d'excitation et les mesures de décroissance PL résolues en temps ont également été étudiés plus avant pour affirmer les propriétés de recombinaison des porteurs de charge et élucider le mécanisme de compétition des différentes voies de transition radiative dans Ti_0.91 O₂ /Nanostructure composite CdS. Ces nouveaux résultats fournissent un point de vue utile pour la conception de la séparation des charges et de l'extraction des charges dans TiO₂ et nanostructures composites CdS pour diverses applications de dispositifs optoélectroniques.

Méthodes

Synthétiser des échantillons

La synthèse de Ti_0.91 O₂ des nanofeuillets et des nanoparticules de CdS ont été rapportés sur la base de la technique d'auto-assemblage couche par couche [27]. La procédure globale pour la fabrication multicouche Ti_0.91 O₂ Les nanostructures composites /CdS sont démontrées de la manière suivante :les sphères solides de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ont été complètement diluées par la solution aqueuse de polyéthylèneimine protonique (PEI), afin d'assurer l'adsorption saturée de PEI sur les surfaces des sphères solides de PMMA. Les sphères solides de PMMA revêtues de PEI sont diluées avec de l'eau déminéralisée par traitement aux ultrasons; puis, chargé négativement Ti_0.91 O₂ des nanofeuillets ont été ajoutés au PMMA hybride recouvert de solution de PEI sous agitation, le PMMA se combine avec Ti_0.91 O₂ nanofeuillets en raison de l'interaction électrostatique intérieure de la charge opposée. La procédure ci-dessus a été répétée. Le multicouche PEI/Ti_0.91 O₂ Les nanostructures de sphères hybrides /PEI/CdS qui ont été déposées sur des sphères de PMMA ont été obtenues sur la base des procédures de synthèse répétées ci-dessus. Pendant l'irradiation par micro-ondes, la fraction PEI a été retirée et les particules de PMMA ont été décomposées. Après réaction, des sphères creuses constituées de Ti_0.91 alterné O₂ des nanofeuillets et des QD de CdS ont été obtenus et des résidus de PMMA insignifiants ont été éliminés avec du tétrahydrofurane (THF). Enfin, les sphères creuses hybrides à multicouche Ti_0.91 O₂ Des nanostructures /CdS ont été obtenues.

Appareil d'expérimentation

Les exemples d'images du solide Ti_0.91 O₂ /Sphères hybrides CdS et creux Ti_0.91 O₂ Les sphères hybrides /CdS ont été mesurées par microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (MEB), respectivement. Les quantités appropriées de Ti solide_0.91 O₂ /Sphères hybrides CdS et creux Ti_0.91 O₂ Les sphères hybrides /CdS ont été diluées avec de l'eau désionisée pour avoir des densités d'échantillons plus faibles. Les échantillons dilués ont été déposés par centrifugation sur une lamelle de silice pour préparer des films minces pour la mesure optique avec l'excitation de 266 et 400 nm. Les mesures optiques de tous les échantillons ont été effectuées à température ambiante. Pour les mesures spectrales PL, le laser Ti:Sapphire de 800 nm ps avec un taux de répétition de 76 MHz a été utilisé pour générer le laser à impulsions de longueur d'onde de 266 et 400 nm basé sur la technique de conversion du deuxième et du troisième harmonique, respectivement. Deux cent soixante-six nanomètres et 400 nm d'impulsions laser à un angle d'incidence d'environ   45 ° par rapport à la direction verticale ont été focalisés sur la surface de l'échantillon avec une densité de puissance d'environ   100 W/cm ² . Le PL des échantillons a été collecté verticalement par un objectif ×60 et envoyé au spectromètre, et les spectres d'émission PL ont été enregistrés avec un monochromateur (Acton SP-2500i, 0,5 m, 150 lignes mm ^− 1 réseau, flambé à 500 nm) équipé d'une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) refroidie à l'azote liquide. Pour les mesures de décroissance de la PL résolues en temps, la PL des échantillons a été collectée par le même objectif, puis détectée par le système de comptage de photons uniques avec une résolution temporelle de 250 ps. De plus, le filtre passe-bande correspondant à 450, 500 et 550 nm avec une bande passante de 10 nm a été utilisé pour mesurer efficacement les différentes durées de vie PL des différentes longueurs d'onde.

Résultats et discussion

La figure 1a montre les niveaux d'énergie de Ti_0.91 O₂ les nanofeuillets et les nanoparticules de CdS, et les nanoparticules de CdS ont un niveau de bande de conduction plus élevé que celui de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets. L'image en microscopie électronique à balayage (MEB) des sphères hybrides Ti_0.91 O₂ des nanofeuillets et des nanoparticules de CdS de plusieurs centaines de nanomètres de longueur et de surfaces lisses sont illustrés à la figure 1b. Les images en microscopie électronique à transmission (MET) du solide Ti_0.91 O₂ /Sphères hybrides CdS et creux Ti_0.91 O₂ Les nanostructures de sphères composites /CdS sont illustrées respectivement aux Fig. 1c, d. La figure 1a montre les modèles XRD du PMMA pur, du CdS et du Ti_0.91 O₂ /CdS. Par rapport au PMMA pur, Ti_0.91 O₂ Le film /CdS et CdS présente de nouveaux pics 2 et 4 indiquant la présence de la phase cubique CdS. La composition de Ti_0.91 O₂ /CdS a été identifié par e spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), comme le montre la figure 1f. Par conséquent, des sphères creuses constituées d'une alternance de Ti_0.91 O₂ des nanofeuillets et des QD CdS ont été obtenus. Afin de vérifier davantage la synthèse de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets et nanoparticules de CdS basées sur la technique d'auto-assemblage couche par couche, les spectres d'absorption et les spectres Raman de Ti_0.91 O₂ et Ti_0.91 O₂ /CdS sont affichés dans le fichier supplémentaire 1 : Figure S1 et Figure S2, respectivement. Comparé aux spectres Raman de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets, les spectres Raman de Ti_0.91 O₂ /CdS démontre une combinaison de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets et nanoparticules de CdS.

un Diagramme des bandes d'énergie des sphères hybrides Ti_0.91 O₂ et CdS. b Images de microscopie électronique à balayage (MEB) de Ti_0.91 O₂ /CdS. c Images de microscopie électronique à transmission (MET) du solide Ti_0.91 O₂ / Sphères hybrides CdS. d Ti creux_0.91 O₂ / Sphères hybrides CdS. e XRD de PMMA, CdS et Ti_0.91 O₂ /CdS. f Spectre XPS de Ti_0.91 O₂ /CdS

Les spectres de photoluminescence (PL) de Ti_0.91 O₂ (noir), CdS (rouge) et Ti_0.91 O₂ /CdS (noir) excité à 266 nm sont illustrés sur la figure 2a. Les pics de fluorescence de Ti_0.91 O₂ et CdS sont d'environ 450 et 530 nm avec l'excitation de 266 nm, respectivement. Parce que l'énergie de bande interdite de TiO₂ est de 3,2 eV, les spectres PL décalés vers le rouge observés sur la figure 2a devraient être attribués aux niveaux de défauts générés à l'intérieur de la bande interdite de Ti_0,91 O₂ de sorte que les trous générés dans le Ti_0.91 O₂ la bande de valence peut se détendre à différents niveaux d'état de défaut par les canaux non radiatifs, puis se recombiner avec les électrons de Ti_0.91 O₂ , donnant lieu à l'émission optique d'état de défaut associée. Sous l'excitation de 266 nm, le pic d'émission de fluorescence autour de 530 nm des nanoparticules de CdS incarne une bande interdite d'énergie plus petite que celle du CdS (2,48 eV). Nous supposons que la transition non radiative des électrons excités du bas de la bande de conduction vers différents niveaux d'états de défaut se produit dans les nanoparticules de CdS. Cependant, le pic d'émission de fluorescence passe à 500 nm lorsque le Ti_0,91 O₂ Structure hybride /CdS excitée à 266 nm. Si nous excluons la contribution de Ti_0.91 O₂ ou CdS à l'émission de spectres décalés vers le bleu ; ensuite, ce mécanisme de fluorescence est attribué à une transition optique indirecte (IOT) dans l'interface hybride de Ti_0.91 O₂ /Système CDS. Dans le TiO₂ traditionnel de type II /Nanostructure composite CdS, excitation lumineuse de TiO₂ et CdS transférera des électrons de la bande de conduction supérieure de CdS à la bande de conduction inférieure de TiO₂ et des trous générés à partir de la bande de valeur inférieure de TiO₂ à la bande de valeur supérieure des nanoparticules de CdS. Si l'ensemble de l'émission PL de Ti_0.91 O₂ /Les sphères creuses de CdS proviennent de nanoparticules de CdS, nous devrions observer le processus de désintégration PL plus rapide causé par un canal de désintégration non radiatif que les électrons transfèrent de la bande de conduction des nanoparticules de CdS à la bande de conduction de TiO₂ en raison de l'effet d'extinction de la fluorescence comme dans le TiO₂ traditionnel /Système CDS. Par conséquent, un nouveau mécanisme de transfert d'électrons a été proposé pour le Ti_0.91 actuel O₂ Système de sphère creuse à nanostructure hybride /CdS :les électrons dans la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ recombiner avec des trous dans la bande de valence des nanoparticules de CdS ; puis, l'émission à spectre décalé émerge dans ce Ti_0.91 O₂ /Matériau composite CdS.

un Spectres PL du Ti_0.91 O₂ (noir), CdS(rouge) et Ti_0.91 O₂ /CdS (bleu) échantillons excités à 266 nm. b Courbes de décroissance PL du Ti_0.91 O₂ (noir), CdS(rouge) et Ti_0.91 O₂ Échantillons /CdS (bleus) avec excitation à 266 nm

Pour mieux étudier le transfert de charge entre le Ti actuel_0.91 O₂ nanofeuillets et nanoparticules de CdS, des mesures transitoires de décroissance PL résolues en temps ont été effectuées sur les échantillons excités à 266 nm. Les courbes de décroissance PL peuvent être bien ajustées à la fonction biexponentielle sous la forme de f (t ) = A ₁ exp(−t /τ ₁ ) + A ₂ exp(−t /τ ₂ ). La durée de vie moyenne est calculée sous la forme τ = (A ₁ τ ₁ ² + A ₂ τ ₂ ² )/(Un ₁ τ ₁ + A ₂ τ ₂ ) et tous les calculs de durée de vie ultérieurs basés sur le formulaire. Par conséquent, la durée de vie moyenne du PL pour Ti_0.91 O₂ est de 0,43 ns et la durée de vie moyenne de PL pour CdS est de 0,35 ns, comme le montre la figure 2b. Plus important encore, la durée de vie moyenne du PL de Ti_0.91 O₂ Les structures hybrides /CdS sont remarquablement augmentées à 3,75 ns par rapport à la durée de vie PL mentionnée ci-dessus de seulement Ti_0,91 O₂ nanofeuillets ou nanoparticules de CdS. Basé sur le nouveau type de mécanismes de transfert de charge dans Ti_0.91 O₂ Interfaces hybrides /CdS, les électrons restent dans la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets, mais les trous peuvent soit se détendre aux niveaux d'état de défaut, soit être transférés aux niveaux de bande de valence des nanoparticules de CdS. En raison de la symétrie inférieure au Ti_0.91 O₂ Interface hybride /CdS, la recombinaison optique des électrons dans la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ et les trous dans le niveau de bande de valeur du CdS provoquent une durée de vie prolongée du PL. Cependant, les résultats de l'expérience indiquent également une faible activité optique de Ti_0.91 O₂ /Nanostructures de sphère creuse de CdS sous une excitation laser de 400 nm et aucune apparition évidente de sensibilisation de CdS sur Ti_0.91 O₂ . Cela signifie que les électrons dans la bande de conduction de CdS seraient enclins à se recombiner avec un trou dans la bande de valeur de CdS plutôt que de passer à la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ nanofeuillets. Ces résultats d'expérience montrent que la fluorescence différente de type II traditionnelle peut être bien expliquée par la nouvelle séparation spatiale de type II des électrons et des trous à travers le Ti_0.91 O₂ Interface hybride /CdS. De plus, pour mieux comparer le transfert de charge et l'interaction électronique entre Ti_0.91 O₂ /CdS et TiO₂ /CdS, des spectres PL et des mesures de décroissance PL transitoires résolues en temps ont été effectués sur les échantillons Ti_0.91 O₂ /CdS et TiO₂ /CdS excité à une longueur d'onde laser de 266 nm, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3(a). Par rapport au TiO₂ / Sphères CdS, le pic d'émission de Ti_0.91 O₂ Les sphères /CdS présentent le même pic d'émission. Cependant, la durée de vie de désintégration prolongée observée dans Ti_0.91 O₂ Les sphères creuses /CdS révèlent que la dynamique de désintégration pour Ti_0.91 O₂ Les sphères creuses /CdS sont fondamentalement différentes des TiO₂ traditionnels /Système CdS.

Pour étudier plus avant le mécanisme de transfert de charge interactif entre CdS et Ti_0.91 O₂ structure hybride, nous comparons les spectres PL et les propriétés de désintégration PL du Ti creux et solide_0.91 O₂ / Sphères hybrides CdS avec une excitation de 266 et 400 nm, respectivement. Lorsque Ti_0.91 O₂ /CdS est excité à 266 nm, les électrons restent finalement dans la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ , et les trous peuvent être transférés dans la bande de valeur des nanoparticules de CdS. La recombinaison optique entre électrons dans la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ , et les trous dans la bande de valeur de CdS sont autorisés. Cependant, le Ti_0.91 O₂ Les sphères solides /CdS contiennent la matrice PMMA et la fraction PEI; ainsi, ces tensioactifs organiques isolants gênent le transport de charges dans le Ti_0.91 O₂ /Interface CdS. En raison du couplage électronique entre le CdS et le Ti_0.91 O₂ structure hybride, la mobilité des porteurs de charge peut être considérablement améliorée en éliminant les tensioactifs organiques de la surface des points quantiques (QD). Les spectres de photoluminescence (PL) et la durée de vie de désintégration PL sont illustrés respectivement aux Fig. 3a, b. Les pics PL de Ti_0.91 O₂ Les sphères solides /CdS étaient décalées vers le rouge par rapport à Ti_0.91 O₂ /CdS sphère creuse, et la durée de vie moyenne PL est de 4,25 ns (sphères solides) et 3,69 ns (sphère creuse), ce qui implique les trous photoexcités dans la bande de valence de Ti_0,91 O₂ est plus difficile à injecter dans la bande de valence du CdS dans les structures hybrides solides. Les modèles PMMA et PEI ont été complètement éliminés pour améliorer l'interconnectivité entre les nanofeuillets alternés de CdS et Ti_0.91 O₂ et conduire à un phénomène de trempe PL amélioré et à une durée de vie de désintégration PL raccourcie. Ainsi, l'effet de trempe PL en Ti_0.91 O₂ Les structures hybrides /CdS sont attribuées à la dissociation des électrons car la décroissance de l'eau de Javel du piégeage de surface n'explique pas le phénomène de trempe PL efficace. Le processus de séparation des charges en Ti_0.91 O₂ Les structures hybrides /CdS se produisent via le transfert de trous de la bande de valence de Ti_0.91 O₂ à la bande de valence des nanocristaux de CdS basée sur la nouvelle transition optique indirecte de type II dans un Ti_0,91 compacté O₂ /Nanostructures hybrides CdS. Ainsi, la durée de vie de recombinaison des porteurs par transition optique indirecte a été réduite de 4,25 ns (sphère solide) à 3,69 ns (sphère creuse).

un Spectres PL de Ti creux_0.91 O₂ /CdS (noir) et Ti_0.91 solide O₂ /CdS (rouge) échantillons excités à 266 nm. b Courbes de décroissance PL du Ti creux_0.91 O₂ /CdS (noir) et Ti_0.91 solide O₂ /CdS (rouge) échantillons avec l'excitation de 266 nm. c Spectres PL de Ti creux_0.91 O₂ /CdS (noir) et Ti_0.91 solide O₂ /CdS (rouge) échantillons excités à 400 nm. d Courbes de décroissance PL du Ti creux_0.91 O₂ /CdS (noir) et Ti_0.91 solide O₂ /CdS (rouge) échantillons avec l'excitation de 400 nm

En réglant les longueurs d'onde d'excitation à 400 nm à une puissance d'excitation plus élevée, les spectres PL et la dynamique de décroissance PL transitoire résolue dans le temps ont été mesurés. Les résultats montrent que les spectres PL faibles avec un temps intégré 10 fois sont montrés sur la Fig. 3c, et la durée de vie PL moyenne (0,59 ns) de Ti_0,91 O₂ Les structures hybrides solides /CdS sont plus courtes que la durée de vie PL (0,45 ns) de Ti_0,91 O₂ /CdS structures hybrides creuses comme le montre la Fig. 3d, suggérant que le CdS a un taux de transfert d'électrons plus élevé vers Ti_0.91 O₂ selon le type traditionnel II Ti_0.91 O₂ /Hétérostructure CdS. Par rapport au cas d'une excitation à 266 nm, la durée de vie plus courte du PL avec une excitation à 400 nm indique que l'effet d'extinction du PL est encore amélioré en raison de la recombinaison optique entre les électrons et les trous dans le Ti_0.91 O₂ /CdS system ou le gaspillage des trous pour la photocorrosion dans les nanoparticules de CdS. Par conséquent, le Ti_0.91 O₂ Les sphères hybrides creuses /CdS montrent une faible activité optique sous une excitation laser de 400 nm, et aucune sensibilisation évidente n'émerge dans le Ti_0.91 O₂ /Sphères hybrides CdS.

Pour étudier plus avant les voies de relaxation des porteurs de charge dans Ti_0.91 O₂ Interface hybride creuse /CdS, les spectres PL dépendants de l'intensité d'excitation dans le Ti_0.91 O₂ Des structures sphériques hybrides /CdS ont été étudiées sous une excitation laser à 266 nm. Sous une faible intensité d'excitation de 266 nm, nous avons d'abord observé que le pic de 475 nm est dominant dans le spectre PL. Avec l'augmentation de la puissance d'excitation, l'intensité des spectres PL correspondants variait en fonction de la puissance d'excitation allant de 300 à 1000 W/cm ² et la longueur d'onde du pic central du décalage du spectre PL de 475 à 560 nm, comme le montre la figure 4a. Nous avons provisoirement attribué au transfert d'électrons de la bande de conduction de Ti_0,91 O₂ à la bande de conduction du CdS lorsque Ti_0,91 O₂ Les nanostructures hybrides /CdS ont été excitées par un laser de plus haute puissance à 266 nm ; ensuite, la recombinaison électron-trou se produit entre les électrons dans la bande de conduction du CdS et les trous dans la bande de valence ou le niveau de défaut des nanoparticules de CdS selon le mécanisme de recombinaison de type I comme le montre la Fig. 4b. Ces spectres PL variés montrent que le décalage vers le rouge se produit avec l'augmentation de la puissance d'excitation. De tels résultats confirment la nature et l'origine différentes de la longueur d'onde d'émission à 475 et 560 nm, respectivement. Ainsi, la longueur d'onde d'émission de 475 nm indique la propriété d'émission de type II et la longueur d'onde d'émission de 560 nm reflète la propriété d'émission de type I. Les spectres décalés avec la puissance d'excitation indiquent le mécanisme de compétition entre les canaux de recombinaison spatialement directs et indirects en Ti_0.91 O₂ /Interfaces composites CdS. Avec le continu en augmentant la puissance d'excitation, plus d'électrons avec un transfert d'excitation à haute puissance de la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ à la bande de conduction des nanoparticules de CdS, conduisant à un rapport d'intensité fortement croissant entre la longueur d'onde centrale 560 et 475 nm, et le rapport d'intensité de photoluminescence de deux pics d'émission peut atteindre 3,5 comme le montre la figure 4c. Cependant, la faible intensité de photoluminescence implique que le transfert d'électrons de la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ à la bande de conduction des nanoparticules de CdS ne joue qu'un rôle mineur dans l'apparition de l'émission de PL.

un Dépendance à la puissance d'excitation des spectres PL. b Transfert d'électrons depuis la bande de conduction de Ti_0.91 O₂ au CdS avec une excitation haute puissance. c Le rapport d'intensité PL intégré entre la longueur d'onde centrale 560 et 475 nm. d Les mesures PL résolues en temps pour 450, 500 et 550 nm avec une longueur d'onde d'excitation de 266 nm

Pour vérifier davantage les deux types de mécanismes de transition avec une puissance d'excitation différente dans le Ti_0.91 O₂ / Sphères creuses CdS, l'expérience de photoluminescence à résolution temporelle (TRPL) de sondage dépendant de la longueur d'onde a été réalisée avec différentes densités de puissance d'excitation. Il convient pour surveiller le transfert de porteurs de charge ou le processus de recombinaison électron-trou dans le Ti_0.91 O₂ /Interface CdS. Les durées de vie TRPL de Ti_0.91 O₂ /CdS ont été mesurés avec différentes longueurs d'onde de sonde à 450, 500 et 550 nm, respectivement. Et le filtre passe-bande correspondant de 450, 500 et 550 nm avec une bande passante de 10 nm a été utilisé. Le TRPL donne des durées de vie de décroissance plus longues (3,72 ns) à une longueur d'onde plus courte (450 nm) dans le Ti_0,91 O₂ Interface /CdS comme le montre la Fig. 4d en raison de la séparation spatiale des porteurs de charge dans les structures composites avec les électrons dans la bande de conduction de Ti_0,91 O₂ nanofeuillets et trous dans la bande de valence des nanoparticules de CdS. Ces structures hybrides de type II réduisent l'intensité PL en raison du chevauchement plus petit entre les fonctions d'onde des électrons et des trous et améliorent par conséquent les durées de vie de recombinaison PL. Cependant, les durées de vie PL (1,61 ns) à une longueur d'onde plus longue (550 nm) deviennent plus rapides en raison de l'amélioration du chevauchement de la fonction d'onde entre l'électron de la bande de conduction (CB) et le trou de la bande de valence (VB) dans les nanoparticules de CdS, comme le montre la figure . 4d. Ces résultats révèlent clairement que les porteurs photoexcités dans le Ti_0.91 O₂ /CdS apporte une contribution significative aux durées de vie plus longues des PL. Cette preuve confirme en outre que le PL dominant provient de la recombinaison entre l'électron dans le CB de Ti_0.91 O₂ et trou dans le VB in des nanoparticules de CdS. Ces résultats confirment que les électrons dans la bande de conduction de Ti_0,91 O₂ les nanofeuillets se recombinent avec des trous dans la bande de valence des nanoparticules de CdS par transition optique indirecte différente du TiO₂ traditionnel /Système CDS. Cette durée de vie prolongée du support rend le Ti_0.91 O₂ /Nanostructure composite CdS la plus adaptée aux applications photovoltaïques. Pour caractériser la capacité des échantillons synthétiques, des courbes J-V linéaires ont été enregistrées comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4. La grande amélioration du photocourant après sensibilisation au CdS montre l'avantage du Ti_0.91 O₂ /CdS par rapport au Ti_0.91 O₂ avec éclairage lumineux. Par conséquent, une charge plus élevée du photosensibilisateur conduira à une densité de photocourant plus élevée.

Conclusions

En résumé, nous avons détecté de nouvelles propriétés de transition optique indirecte (IOT) dans le multicouche PEI/Ti_0.91 O₂ Nanostructures hybrides /PEI/CdS à partir des spectres PL et mesures PL résolues en temps. À partir de la mesure spectrale PL et TRPL, l'émission de lumière de décalage du rouge au bleu émerge dans ce nouveau matériau composite. Et une durée de vie de photoluminescence prolongée de Ti_0.91 O₂ /Nanostructure composite CdS comparée à Ti_0.91 seulement O₂ sphères ou nanoparticules de CdS a été trouvée. Ces résultats démontrent un nouveau mécanisme de recombinaison de photoluminescence dû à la recombinaison optique entre les trous dans le niveau de bande de valeur de CdS et les électrons dans le niveau de bande de conduction de Ti_0.91 O₂ qui est différent du TiO₂ traditionnel /Système composite CdS. En réglant les longueurs d'onde d'excitation et la puissance d'excitation, les spectres PL et les durées de vie PL de Ti_0.91 O₂ Les structures hybrides /CdS présentent un comportement dépendant de la longueur d'onde d'excitation et de la puissance d'excitation. A partir des configurations de bande interdite, l'IOT pour Ti_0.91 O₂ La structure hybride /CdS qui conduit à une durée de vie prolongée des porteurs permet la séparation et l'extraction des porteurs de charge pour les applications importantes dans les systèmes photovoltaïques.

Abréviations

IOT :

Transition optique indirecte

PL :

Photoluminescence

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

QD :

Points quantiques

TRPL :

Photoluminescence résolue en temps