Determination of Band Gap in Metal Oxides Using UV-Vis Spectroscopy

Význam tématu

Stanovení šířky zakázané pásu polovodičových oxidů je klíčové pro návrh a optimalizaci materiálů v elektronice, optoelektronice, fotokatalýze a solární energetice. UV-Vis spektroskopie nabízí rychlou a neinvazivní metodu k odhadu této energetické hranice a poskytuje hlubší porozumění elektronové struktuře zkoumaných látek.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo demonstrovat spolehlivé stanovení pásových mezer u oxidů GeO2, TiO2 (rutil) a ZnO prostřednictvím difuzní reflektance UV-Vis spektroskopie. Analýza byla prováděna na zařízení Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR a vyhodnocena v softwaru Cary WinUV, srovnány byly také vzorky v malých a velkých kelímcích.

Použitá metodika a instrumentace

• Spektrofotometr Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR s příslušenstvím Praying Mantis pro difuzní reflektanci (objem vzorku již od 0,03 ml).
• Software Agilent Cary WinUV pro akvizici dat, výpočty první derivace spekter, Kubelka–Munkovy funkce a Taucových grafů.
• Rozsah měření 200–2500 nm (5,0–0,5 eV), výpočet energie fotonů hν a převod reflektance na Kubelka–Munkovu funkci F(R).
• Identifikace pásové mezery z maxima první derivace spektra nebo extrapolací lineární části Taucova grafu.
• Srovnání výsledků získaných z malého (0,03 ml) a velkého (0,25 ml) kelímku.

Hlavní výsledky a diskuse

• GeO2: pásová mezera v rozmezí 5,98–6,07 eV (literární hodnota 5,95 eV).
• TiO2 (rutil): pásová mezera 3,05–3,12 eV (literární ~3,00 eV).
• ZnO: pásová mezera 3,24–3,28 eV (literární ~3,20 eV).
• Minimální rozdíly mezi malými a velkými kelímky ukazují na vysokou reprodukovatelnost a konzistenci měření při úspoře vzorku.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost přesného stanovení pásových mezer s velmi malým množstvím materiálu.
• Rychlá výměna příslušenství a přesné ustavení vzorku díky mechanismu LockDown.
• Vhodné pro výzkum fotokatalytických a solárních materiálů v akademické i průmyslové sféře.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace teplotních komor při difuzní reflektanci pro sledování termochromních jevů.
• Automatizace zpracování spekter a vyhodnocení pomocí strojového učení.
• Rozšíření měřicího rozsahu do blízkého infračerveného spektra pro analýzu širšího spektra materiálů.

Závěr

Popsaná metodika spojuje robustní difuzní reflektanci s výkonnými výpočty v softwaru Cary WinUV a umožňuje přesné a reprodukovatelné stanovení pásových mezer polovodičových oxidů při minimálním odběru vzorku. Výsledné hodnoty jsou vynikající shodné s literaturou, což potvrzuje spolehlivost přístroje a postupu.

Reference

1. Zhu S.; Wang D. Photocatalysis: Basic Principles, Diverse Forms of Implementations and Emerging Scientific Opportunities. Adv. Energy Mater. 2017, 7(23), 1700841.
2. Carron R. et al. Bandgap of Thin Film Solar Cell Absorbers: A Comparison of Various Determination Methods. Thin Solid Films 2019, 669, 482–486.
3. Lange T. et al. Physical Properties of Thin GeO2 Films Produced by Reactive DC Magnetron Sputtering. Thin Solid Films 2000, 365(1), 82–89.
4. Mamba G.; Mishra A. K. Graphitic Carbon Nitride Nanocomposites: A New and Exciting Generation of Visible Light Driven Photocatalysts for Environmental Pollution Remediation. Appl. Catal. B: Environ. 2016, 198, 347–377.
5. Morales A. et al. Use of Diffuse Reflectance Spectroscopy for Optical Characterization of Un-Supported Nanostructures. Revista Mexicana de Física 2007, 53.5, 18–22.