Untersuchung von ZnO-Nanokristallen

In den letzten Jahren entwickelte sich die Luftreinigung und Wasseraufbereitung mithilfe von Photokatalysatoren immer mehr zu einem aktiven Forschungsbereich. Insbesondere Oxidhalbleiter gestalten sich als vielversprechende Materialien für Photokatalysatoren da sie sich selbst unter schwierigsten atmosphärischen Umgebungsbedingungen strukturell kaum verändern. Zinkoxid, ZnO, wird unterdessen als umweltfreundliches Material mit photokatalytischer Aktivität viel Beachtung geschenkt. Die direkte Bandlückenenergie von ZnO beträgt bei Raumtemperatur 3.37 eV. Dabei wird vermutet, dass die Eigenschaften mit der charakteristischen Oberflächenstruktur und der Kristallitgröße in Verbindung stehen. Mithilfe von Daten aus Röntgenbeugungsmessungen kann die Kristallitgrößenverteilung einfach analysiert werden. In diesem Beispiel werden ZnO-Kristalle für eine Stunde in einer Sauerstoffatmosphäre auf 400°C, 500°C, 600°C und 700°C erhitzt. Die Cu Kα Linien der erhitzten ZnO-Kristalle werden mithilfe Fokussierstrahl-Röntgenoptik am SmartLab Mehrzweckdiffraktometersystem von Rigaku vermessen, um Beugungsprofile zur Analyse und Verarbeitung der Kristallitgrößenverteilung zu erhalten. Die 110-Beugungslinie besitzt dabei eine geeignete Intensität für die Analyse und überlappt nicht mit anderen Reflexionen. Abbildung 1 zeigt die gemessenen Beugungsprofile und die Simulationsprofile dieser Reflexion. Die Breite der Beugungslinie wird mit zunehmender Prozesstemperatur schmaler, was darauf hindeutet, dass die Kristallitgröße qualitativ ebenfalls zunimmt.

Measured diffraction profiles and the simulation profiless

Abbildung 1: Messprofil von ZnO-Nanokristallen

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Kristallitgrößenverteilungsanalyse. Die obere und die untere Abbildung zeigen die Kristallitanzahl- und die Kristallitvolumenverteilung. Beide repräsentieren die Kristallitanzahl für einen bestimmten Kristallitdurchmesser sowie das Verhältnis der Kristallitvolumen. Dabei wird deutlich, dass sowohl für die Kristallitanzahl- als auch für die Kristallitvolumenverteilung, die Kristallitgröße zunimmt und sich die Verteilungfunktion mit zunehmender Prozesstemperatur ebenfalls verbreitert darstellt.

Crystallite size distribution analysis

Abbildung 2: Analysedaten der Kristallitgrößenverteilung

(Die Proben wurden von Professor Haga, Electronic Engineering Department, Sendai National College of Technology sowie von Assistenzprofessor Shishido, Institute of Materials Research, Tohoku University, zur Verfügung gestellt.)

Literaturverzeichnis:
[1] Konaka et al., Proceedings of the 5th annual Meeting of Society of Nano Science and Technology P.162/PS74 (2007)
[2] Konaka et al., J. Flux Growth, vol.2, (2007) 41


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