Synthesis and physical properties of halide quantum dots and local nano-heterostructures on semiconducting microtubes

Autor:	Rivaldo Gómez, Cynthia Marina
Přispěvatelé:	Souza, José Antonio, Ferlauto, Andre Santarosa, Nantes, Iseli Lourenço, Chitta, Valmir A.
Rok vydání:	2019
Předmět:	CsPbX3 PEROVSKITE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - UFABC QUANTUM DOTS NANOWIRES SEMICONDUCTORS MICROTUBES PEROVSKITAS MICROTUBOS SEMICONDUTORES NANOFIOS ZNO TiO2 THEMAL OXIDATION NANO-HETEROESTRUTURAS CsPbBr3 PONTOS QUÂNTICOS DE HALETOS
Zdroj:	Repositório Institucional da UFABC Universidade Federal do ABC (UFABC) instacron:UFABC
Popis:	Orientador: Prof. Dr. José Antonio Souza Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, Santo André, 2019. O estudo de novas rotas de síntese de nano-microestruturas e suas propriedades físicas é muito importante não só do ponto de vista científico, mas também para aplicações tecnológicas. Realmente, sistemas semicondutores nano-heteroestruturados baseados em óxidos de metais de transição e de haletos metálicos com estrutura do tipo perovskita têm despertado grande interesse devido a suas importantes propriedades físicas e potenciais aplicações. Neste trabalho, foi realizada a síntese de pontos quânticos (PQs) de perovskita CsPbX3 (X = Br, I e Cl) e nano/microestruturas (microtubos e nanofios) de TiO2 e ZnO, e também um estudo das suas propriedades físicas. Além disso, combinamos ambas as famílias de semicondutores decorando o microtubo de TiO2 com pontos quânticos formando nano-heteroestruturas locais. Inicialmente, a síntese de PQs de perovskita para os três íons de haletos foi realizada usando os métodos de injeção à quente e de recristalização supersaturada. Os espectros de emissão de fotoluminescência (FL) dos PQs de CsPbX3 mostram um máximo de emissão em torno a 396 nm (3.1 eV), 516 nm (2.4 eV) e 702 nm (1.8 eV) para CsPbCl3, CsPbBr3 e CsPbI3 QDs, respectivamente. As medidas de decaimento da fotoluminescência resolvidas no tempo revelam um processo com três contribuições exponenciais. Os três tempos de vida de recombinação são atribuídas à processos distintos: centros de aprisionamento (t1), exciton (t2) e portadores de carga livres (t3). Para CsPbBr3, observou-se os tempos de vida t1 = 0.47 (49%) ns, t2 = 1.92 ns (35%) e t3 = 6,60 ns (14%) e para CsPbI3, t1 = 4.56 (14%) ns, t2 = 21.47 (35%) ns e t3 = 87.69 (49%) ns. A imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução mostra uma morfologia de forma cúbica dos nanocristais de CsPbBr3 com um tamanho em torno de 12 nm. Por outro lado, micro/nanoestruturas tubulares de TiO2 e ZnO com diferentes configurações (microtubos, nanofios e estruturas tipo core-shell) foram obtidas. Microestruturas ocas foram obtidas pelo processo de oxidação térmica na presença de corrente elétrica. Foi reportado uma nova rota para a fabricação de materiais ocos. Esta nova rota de síntese consiste na combinação de processos de oxidação térmica em conjunto com a aplicação de corrente elétrica durante uma transição de fase estrutural. Além disso, os resultados revelaram um importante fenômeno físico baseado em uma transferência colossal de massa através da rede cristalina, grãos e difusão superficial de íons de titânio (Ti) formando microtubos de TiO2. A transição de fase estrutural do Ti Thesis-Halide Quantum Dots and local Nano-heterostructures on Semiconducting Microtubes V metálico que ocorre em alta temperatura aumenta a mobilidade dos íons, criando vacâncias no sistema. A corrente elétrica atrai essas vacâncias para a direção interna dos microtubos que se condensam em buracos. Além disso, nanoestruturas hierárquicas de ZnO também foram estudadas usando a mesma abordagem citada. Neste caso, a temperatura de oxidação adotada é superior ao ponto de fusão do Zn metálico (TF = 420 °C). Por esta rota, foram obtidas estruturas hierárquicas com nanofios na superfície externa e nanobastões na superfície interna dos microtubos. Durante todo o processo de oxidação térmica, foram realizadas medições in situ da resistividade elétrica em função da temperatura para ambos os sistemas. Foi sugerido um mecanismo para a formação dessas micro/nanoestruturas combinando o processo de difusão iônica e migração induzida por estresse de íons Zn. Por último, foram produzidas e estudadas as propriedades físicas de nano-heteroestruturas locais, acoplando os PQs de CsPbBr3 na superfície do microtubo de TiO2. Foi observado o efeito de coalescência dos QDs quando estão depositados na superfície do microtubo, aumentando seu tamanho para 40 nm. As medidas de fotoluminescência mostram um deslocamento do espectro de emissão para o vermelho, o que confirma o aumento no tamanho dos nanocristais. As medidas de decaimento da fotoluminescência resolvidas no tempo sugerem uma diferença na dinâmica de carga ao comparar as duas amostras, revelando que há interação entre os PQs de CsPbBr3 e a superfície do microtubo, o que confirma a formação de heteroestruturas locais. O microtubo de TiO2 decorado com PQs exibe uma diminuição significativa na resistividade elétrica, atingindo quase 95% se comparado com o microtubo de TiO2. Esse aumento robusto na condutividade elétrica está associado à transferência de carga dos nanocristais de perovskita para o microtubo semicondutor, que pode ser manipulada de forma a controlar suas propriedades eletrônicas. The study of novel strategy for fabrication and physical properties of nano and microstructures is very important for both fundamental science and technological applications. Indeed, semiconducting nano-heterostructured systems based on transition metal oxides and halide perovskites have attracted great interest due to their unique physical properties and potential applications. In this work, we have synthesized and studied the physical properties of both halide perovskite CsPbX3 (X=Br, I, and Cl) quantum dots (QDs) and micro/nanostructures (microtube and nanowires) of TiO2 and ZnO. In addition, we have combined both families of semiconductors by decorating TiO2 microtube with quantum dots forming local nano-heterostructures. First, the synthesis of perovskite QDs for the three-halide ions (X=Br, I, and Cl) was carried out via hot injection method and supersaturated recrystallization process. The photoluminescence emission spectra of CsPbX3 QDs show band-edge emission around 396 nm (3.1 eV), 516 nm (2.4 eV), and 702 nm (1.8 eV) for CsPbCl3, CsPbBr3, and CsPbI3 QDs, respectively. Time-resolved PL measurements reveal a three-exponential decay process. The three recombination lifetimes are assigned to distinct processes: trap-assisted (t1), exciton (t2), and free-carrier (t3). For CsPbBr3, we observe t1= 0.47 (49%) ns, t2= 1.92 ns (35%), and t3= 6.60 ns (14%) and for CsPbI3 t1= 4.56 (14%) ns, t2= 21.47 (35%) ns, and t3= 87.69 (49%) ns. High-resolution transmission electron microscopy image shows a cubic shape morphology of CsPbBr3 NCs with a size around 12 nm. On the other hand, tubular micro/nanostructures of TiO2 and ZnO with different designs (microtubes, nanowires, and core-shell structures) have been obtained. Hollow microstructures were obtained by using thermal oxidation process with the presence of electrical current. We have reported a new route to fabricate hollow materials. The synthesis route consists in a combination of thermal oxidation process, application of electric current, and structural phase transition. Furthermore, our results revealed an important physical phenomenon based on a colossal mass transfer by lattice, grain, and surface diffusion of titanium (Ti) ions forming TiO2 microtubes. The structural phase transition in the metallic Ti occurring at high temperature boosts the mobility of Ti ions creating vacancies to the system. The electric current would drive these vacancies to inward direction and condensing into voids. In addition to the TiO2 system, other hierarchical ZnO nanostructures were studied by using the same approach. Synthesis of hierarchically structured nanowires on and nanosticks in ZnO microtubes is obtained. Thesis-Halide Quantum Dots and local Nano-heterostructures on Semiconducting Microtubes III They were produced by the thermal oxidation method at temperatures above the melting point of the metallic Zn (TF = 420 °C). Throughout the synthesis process, in situ measurements of electrical resistivity as a function of temperature were performed for both systems. We suggest a mechanism for the formation of these micro /nanostructures combining ionic diffusion and stress-induced migration of Zn ions due to compressive stress. Finally, we have produced and studied the physical properties of local nano-heterostructures by coupling the perovskite CsPbBr3 quantum dots on the surface of our semiconducting TiO2 microtube. We have observed a coalescence process when the QDs are on the surface of the microtube which increases to around 40 nm. The red shift optical properties confirm the increasing in size. Time-resolved photoluminescence decay measurements suggest difference in charge dynamics when comparing both samples, revealing the interaction of CsPbBr3 QDs with the microtube surface, which confirms the formation of local heterostructures. The TiO2 microtube decorated with quantum dots exhibits a large decreasing in electrical resistivity reaching almost 95% when compared with the pristine TiO2 microtube. This significant increasing in the electrical conductivity is associated with charge transfer from perovskite nanocrystals into the semiconductor microtube which can be used to fine tune in its electronic properties.
Databáze:	OpenAIRE
Externí odkaz:	https://explore.openaire.eu/search/publication?articleId=od______3056::6e6c871a29b937808efe1159f1ba024c http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=121850 Zobrazit plný text záznamu