EPR study of paramagnetic centers in SiO₂:C:Zn nanocomposites obtained by infiltration of fumed silica with luminescent Zn(acac)₂ solution

• Published in: Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics
• Date: 2021
• Main Authors: Savchenko, D.V., Memon, V.S., Vasin, A.V., Kysil, D.V., Rusavsky, A.V., Kuz, O.P., Gareeva, F.M., Kalabukhova, E.N.
• Format: Article
• Language: English
• Published: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2021
• Subjects: Semiconductor physics
• Online Access: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/216185
• Journal Title: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Cite this: EPR study of paramagnetic centers in SiO₂:C:Zn nanocomposites obtained by infiltration of fumed silica with luminescent Zn(acac)₂ solution / D.V. Savchenko, V.S. Memon, A.V. Vasin, D.V. Kysil, A.V. Rusavsky, O.P. Kuz, F.M. Gareeva, E.N. Kalabukhova // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2021. — Т. 24, № 2. — С. 124-130. — Бібліогр.: 26 назв. — англ.

Silica-carbon with zinc (SiO₂:C:Zn) nanocomposites obtained via infiltration with aged luminescent zinc acetylacetonate (Zn(acac)₂) ethanol solution of two concentrations (1 or 4%) into the fumed silica (SiO₂) matrix have been studied using EPR within the temperature range 6…296 K before and after thermal annealing. The EPR spectrum of SiO₂:C:Zn nanocomposites consists of three signals with the Lorentzian lineshape corresponding to paramagnetic centers with S = 1/2, which are related to carbon dangling bonds (CDB) (g = 2.0029(3)), silicon dangling bonds (g = 2.0062(3)), and oxygen-centered carbon-related radicals (CRR) (g = 2.0042(3)). A small EPR linewidth (<1 mT) observed for CDB and oxygen-centered CRR allows us to conclude that they are in the sp³-hybridized state. It was found that the temperature dependence of the EPR signal integrated intensity of the CDB and oxygen-centered CRR follows the Curie–Weiss law with a small positive value of the Curie–Weiss constant, which indicates that the weak ferromagnetic exchange interaction takes place in the spin system of CDB and oxygen-centered CRR. It was supposed that the carbon-related centers are clustered in SiO₂:C:Zn nanocomposites. We assume that the oxygen-centered CRR in the sp³-hybridized state is associated with luminescent centers in previously reported aged Zn(acac)₂/C₂H₅OH solution. Кремнезем-вуглецеві нанокомпозити з цинком (SiO₂:C:Zn), отримані шляхом інфільтрації витриманим етаноловим розчином ацетилацетонату цинку (Zn(acac)₂) різної концентрації (1% та 4%) до матриці пірогенного кремнезему (SiO₂), вивчались методом ЕПР у температурному інтервалі від 6 до 296 K до та після термічного відпалу. Спектр ЕПР SiO₂:C:Zn нанокомпозитів складається з трьох смуг Лоренцевої форми, пов’язаних із парамагнітними центрами з S = ½, які було віднесено до обірваних зв’язків вуглецю (CDB) (g = 2.0029(3)), обірваних зв’язків кремнію (g = 2.0062(3)) та киснево-центрованих вуглецевмісних радикалів (CRR) (g = 2.0042(3)). Мала ширина лінії ЕПР (<1 мТ), що спостерігалася для CDB та кисневоцентрованих CRR, дозволила віднести ці центри до sp³-гібридизованого стану. Виявлено, що температурна залежність інтегральної інтенсивності сигналів ЕПР від CDB та киснево-центрованих CRR описується законом Кюрі–Вейса з додатним значенням константи Кюрі–Вейса малої величини, що вказує на те, що у спіновій системі CDB та киснево-центрованих CRR існує слабка феромагнітна обмінна взаємодія. Висунуто припущення, що у SiO₂:C:Zn нанокомпозитах здійснюється кластеризація вуглецевмісних центрів. Зроблено висновок, що киснево-центровані CRR у sp³-гібридизованому стані відповідають за попередньо спостережену інтенсивну фотолюмінесценцію розчину Zn(acac)₂/C₂H₅OH.