Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS
Розглянуто вплив будови полімерної матриці на властивості вбудованих у неї напівпровідникових кластерів CdS. Встановлено існування в одному зразку декількох груп кластерів та визначено їх розміри за результатами аналізу кривих оптичного поглинання. Показано, що у мозаїчній матриці з гідрофільними і...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44173 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS / С.В. Токарєв, Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, О.М. Шевчук, Л.В. Долинська, В.С. Токарев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 58-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-44173 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Токарєв, С.В. Ільчук, Г.А. Кусьнеж, В.В. Шевчук, О.М. Долинська, Л.В. Токарев, В.С. 2013-05-26T14:07:41Z 2013-05-26T14:07:41Z 2011 Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS / С.В. Токарєв, Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, О.М. Шевчук, Л.В. Долинська, В.С. Токарев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 58-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44173 621.315.592 Розглянуто вплив будови полімерної матриці на властивості вбудованих у неї напівпровідникових кластерів CdS. Встановлено існування в одному зразку декількох груп кластерів та визначено їх розміри за результатами аналізу кривих оптичного поглинання. Показано, що у мозаїчній матриці з гідрофільними і гідрофобними ділянками термодинамічно стабільнішими є групи кластерів з меншим розміром, ніж у неперервній матриці. The effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor clusters embedded into this matrix is considered. The size of these CdS clusters has been estimated by the analysis of optical absorption spectra. The presence of several cluster fractions with different sizes in each sample is revealed. It is found that, in a mosaic matrix, which has hydrophilic and hydrophobic areas, the thermodynamically more stable clusters are of smaller size than those in the case of a continuous matrix. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Фізика Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS Effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor clusters Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS |
| spellingShingle |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS Токарєв, С.В. Ільчук, Г.А. Кусьнеж, В.В. Шевчук, О.М. Долинська, Л.В. Токарев, В.С. Фізика |
| title_short |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS |
| title_full |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS |
| title_fullStr |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS |
| title_full_unstemmed |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS |
| title_sort |
вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів cds |
| author |
Токарєв, С.В. Ільчук, Г.А. Кусьнеж, В.В. Шевчук, О.М. Долинська, Л.В. Токарев, В.С. |
| author_facet |
Токарєв, С.В. Ільчук, Г.А. Кусьнеж, В.В. Шевчук, О.М. Долинська, Л.В. Токарев, В.С. |
| topic |
Фізика |
| topic_facet |
Фізика |
| publishDate |
2011 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor clusters |
| description |
Розглянуто вплив будови полімерної матриці на властивості вбудованих у неї напівпровідникових кластерів CdS. Встановлено існування в одному зразку декількох груп кластерів та визначено їх розміри за результатами аналізу кривих оптичного поглинання. Показано, що у мозаїчній матриці з гідрофільними і гідрофобними ділянками термодинамічно стабільнішими є групи кластерів з меншим розміром, ніж у неперервній матриці.
The effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor clusters embedded into this matrix is considered. The size of these CdS clusters has been estimated by the analysis of optical absorption spectra. The presence of several cluster fractions with different sizes in each sample is revealed. It is found that, in a mosaic matrix, which has hydrophilic and hydrophobic areas, the thermodynamically more stable clusters are of smaller size than those in the case of a continuous matrix.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44173 |
| citation_txt |
Вплив полімерної матриці на властивості напівпровідникових кластерів CdS / С.В. Токарєв, Г.А. Ільчук, В.В. Кусьнеж, О.М. Шевчук, Л.В. Долинська, В.С. Токарев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 58-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT tokarêvsv vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT ílʹčukga vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT kusʹnežvv vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT ševčukom vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT dolinsʹkalv vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT tokarevvs vplivpolímernoímatricínavlastivostínapívprovídnikovihklasterívcds AT tokarêvsv effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters AT ílʹčukga effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters AT kusʹnežvv effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters AT ševčukom effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters AT dolinsʹkalv effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters AT tokarevvs effectofapolymermatrixonthepropertiesofcdssemiconductorclusters |
| first_indexed |
2025-11-25T13:47:26Z |
| last_indexed |
2025-11-25T13:47:26Z |
| _version_ |
1850513598912135168 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2011
ФIЗИКА
УДК 621.315.592
© 2011
С.В. Токарєв, Г.А. Iльчук, В. В. Кусьнеж, О. М. Шевчук,
Л.В. Долинська, В.С. Токарев
Вплив полiмерної матрицi на властивостi
напiвпровiдникових кластерiв CdS
(Представлено академiком НАН України М.С. Бродиним)
Розглянуто вплив будови полiмерної матрицi на властивостi вбудованих у неї напiв-
провiдникових кластерiв CdS. Встановлено iснування в одному зразку декiлькох груп
кластерiв та визначено їх розмiри за результатами аналiзу кривих оптичного погли-
нання. Показано, що у мозаїчнiй матрицi з гiдрофiльними i гiдрофобними дiлянками
термодинамiчно стабiльнiшими є групи кластерiв з меншим розмiром, нiж у непе-
рервнiй матрицi.
Сонячнi елементи (СЕ) на основi гетеропереходiв iз плiвками CdS, що виконують функ-
цiю прозорого шару — “вiкна”, є найперспективнiшими з точки зору їх використання для
перетворення сонячної енергiї в електричну на великих площах [1–3]. Однак для масово-
го використання необхiдно пiдвищити коефiцiєнт їх корисної дiї без iстотного збiльшення
вартостi виготовлення СЕ. Новi пiдходи до вирiшення цих завдань вiдкриваються завдяки
розвитку нанотехнологiй, зокрема, використанню в СЕ замiсть суцiльних плiвок нанострук-
турованого CdS [3, 4]. Таким чином, можна створити кращий пропускаючий шар вiкна СЕ
i змiнювати його край пропускання, регулюючи розмiри кластерiв CdS [4]. Ще однiєю пе-
ревагою використання наноструктурованого матерiалу в СЕ є зменшення втрат падаючо-
го сонячного свiтла на вiдбивання, зумовлене багаторазовим вiдбиванням та збiльшенням
ефективного оптичного шляху в такому матерiалi [5].
Нещодавно нами було розроблено оригiнальну методику синтезу нанокластерiв CdS,
вбудованих у прищепленi до поверхнi полiмернi шари [6]. В даному повiдомленнi виклада-
ються результати дослiдження впливу будови полiмерної матрицi, а також впливу часової
експозицiї на розмiри та розподiл частинок за розмiром.
Методика експерименту. Двi серiї зразкiв iз кластерами CdS, вбудованими у при-
щепленi до поверхнi полiмернi шари рiзної будови, було виготовлено за методикою [6]. По-
лiмерний шар зразкiв серiї № 1 складався тiльки з гомополiмерних прищеплених ланцюгiв
полiакрилової кислоти (пАК), тодi як в серiї № 2 — iз сегрегованих прищеплених лан-
цюгiв пАК i полiстиролу (пСт), формуючи таким чином мозаїчну (шахматну) структуру
58 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
з гiдрофiльними дiлянками пАК, вiдокремленими одна вiд iншої гiдрофобними дiлянками
пСт. Золь-гель синтез нанокластерiв CdS вiдбувався в результатi послiдовного насичення
солями Cd2+ i сiрководнем гiдрогелевої матрицi, роль якої виконували набряклi у водних
розчинах ланцюги пАК.
Вплив структури полiмерної матрицi на розмiри кластерiв CdS та їх розподiл за розмi-
ром дослiджували, аналiзуючи спектри оптичного поглинання, отриманi з використанням
комп’ютерно керованого монохроматора МДР-23.
Результати та їх обговорення. Передбачалося, що будова полiмерної матрицi вплива-
тиме на розмiр i розподiл за розмiром нанокластерiв CdS, утворених в результатi золь-гель
реакцiй у цих матрицях. Було дослiджено два типи полiмерних матриць: гомофазної (се-
рiї № 1), побудованої з прищеплених макромолекул пАК, та гетерофазної (серiї № 2), яка
побудована з сегреговагих ланцюгiв пАК та пСт. Слiд вiдзначити, що за фiзико-хiмiчними
властивостями пАК та пСт iстотно вiдрiзняються: якщо перша є гiдрофiльним полiмером,
який у водi утворює гелi, то другий — сильно гiдрофобним i у водi не небрякає. Тобто,
в серiї № 1 гiдрогелева матриця є суцiльною, а в серiї № 2 — дискретною, роздiленою твер-
дими гiдрофобними сегрегатами пСт на гiдрофiльнi дiлянки пАК з середнiми розмiрами
20–25 нм. У другому випадку розмiр частинок повинен бути меншим, оскiльки ланцюги
пСт виконують роль бар’єра, перешкоджаючи дифузiї iонiв Cd2+ i S2− до центрiв росту
кристалiв. Експериментальну перевiрку цiєї гiпотези проведено нижче.
Спектри оптичного поглинання полiмерної плiвки з включеннями кластерiв CdS одра-
зу пiсля виготовлення, через 30 дiб перебування на повiтрi та пiсля повторного насичення
сiркою наведенi на рис. 1, а i 2, а. Основною особливiстю цих спектрiв є наявнiсть областi
фундаментального поглинання, локалiзованої в короткохвильовiй частинi спектра. Оскiль-
ки сам полiмер є прозорим у дослiджуванiй областi, то поглинання дослiджених полiмерних
плiвок i положення його краю в областi енергiй, близьких до ширини забороненої зони CdS
(Eg = 2,42 еВ [7]), може розглядатись як безпосереднiй доказ синтезу кластерiв бiнарної
напiвпровiдникової сполуки CdS, вбудованої у полiмерну матрицю. Довгохвильовий край
областi поглинання дослiджених зразкiв знаходиться в дiапазонi енергiй 2,63–2,88 еВ, дещо
бiльших за ширину забороненої зони об’ємних монокристалiв CdS. Зсув краю фундамен-
тального поглинання зумовлений квантово-розмiрним ефектом у кластерах CdS.
Квантово-розмiрний ефект є характерною особливiстю напiвпровiдникових матерiалiв
i проявляється як збiльшення енергiї, що вiдповiдає ефективнiй ширинi забороненої зони,
зi зменшенням розмiру кристалiв. Така залежнiсть дозволяє визначати розмiри кластерiв
за величиною краю фундаментального поглинання [8, 9], зокрема в данiй роботi вона вико-
ристовувалася для оцiнки розмiрiв нанокластерiв CdS, вбудованих у полiмерну матрицю.
За результатами проведеного огляду та аналiзу лiтературних даних [6, 10–12] встановле-
но, що квантово-розмiрний ефект для кластерiв CdS з розмiрами в дiапазонi 0,5–10,0 нм най-
краще описується кореляцiйною залежнiстю, отриманою в роботi [12]. Ця залежнiсть Eg(d),
графiчно зображена на рис. 3, була використана для оцiнки розмiрiв кластерiв CdS за екс-
периментально визначеною величиною зсуву ефективної ширини забороненої зони.
Основнi спектральнi особливостi поглинання зразкiв (див. рис. 1 i 2) зумовленi класте-
рами CdS, оскiльки полiмерна матриця є прозорою у данiй частинi спектра. У припущеннi,
що крива поглинання формується кластерами iз рiзними розмiрами, виконано математич-
ну обробку спектрiв. Для визначення значень положення максимумiв поглинання викори-
стовували зображення кривої поглинання розподiлом Гаусса в енергетичних координатах
(див. рис. 1, 2) за вiдомою методикою [8, 13]. Для подальшого аналiзу було вибрано варiанти
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 59
Рис. 1. Спектри поглинання та апроксимацiя кривих поглинання нормальним розподiлом Гаусса кластерiв
CdS у гомофазнiй пАК матрицi (зразок № 1): 1.1 — пiсля виготовлення; 1.2 — пiсля 30 дiб експозицiї
на повiтрi; 1.3 — пiсля вiдновлення у атмосферi сiрководню (а); гiстограми розподiлу наночастинок CdS
у гомофазнiй пАК матрицi (зразок № 1): 1.1 — пiсля синтезу; 1.2 — пiсля експозицiї на поверхнi протягом 30
днiв; 1.3 — пiсля вiдновлення в атмосферi сiрководню (б )
апроксимацiї, що давали найменшу кiлькiсть пiкiв при умовi, що квадрат коефiцiєнта ко-
реляцiї R2
6 0,995. До того ж площа, обмежена вiдповiдними розподiлами, дає можливiсть
кiлькiсно оцiнити спiввiдношення кiлькостей частинок певного розмiру. Форма спектрiв
фундаментального поглинання кластерiв CdS сферичної форми, зумовлена густиною ста-
нiв, має вигляд роздiлених рiзких пiкiв. Розмитiсть та перекриття пiкiв, що описують криву
фундаментального поглинання, найчастiше спостерiгаються для одновимiрних об’єктiв, та-
ких як нанодротини або кластери елiпсоїдної форми. В цих об’єктах квантування можливе
не лише в одному напрямку. Дисперсiя енергiй, що спостерiгається на рис. 1, а i 2, а, та-
кож може вiдображати комбiнацiю кластерiв з рiзними розмiрами та присутнiсть вищих
енергетичних рiвнiв квантово розмiрного ефекту [9].
В табл. 1, 2 наведено розмiри кластерiв di, розрахованi з використанням залежностi,
зображеної на рис. 3, за значеннями енергiй Ei, що вiдповiдають положенню максимумiв
поглинання на рис. 1, а, 2, а (де FWHMi — пiвширина вiдповiдної кривої). Нумерацiя пiкiв
проводилася вiд значень менших енергiй до бiльших. До розгляду бралися апроксимацiйнi
кривi гауссiвського розподiлу, що мають максимуми в областi енергiй вiд 2,42 до 3 еВ.
Аналiзуючи набiр кривих гауссiвського розподiлу, що описують спектральнi кривi по-
глинання (рис. 1, а i 2, а), бачимо, що спостерiгається переважно бiмодальний (а у рядi
випадкiв — тримодальний) розподiл наночастинок CdS в усiх дослiджених зразках. Разом
з тим, з гiстограм, наведених на рис. 1, б i 2, б, чiтко прослiдковується рiзниця у спiввiд-
60 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
Рис. 2. Спектри поглинання кластерiв та апроксимацiя кривих поглинання нормальним розподiлом Гаусса
наночастинок CdS у мозаїчнiй пАК/пСт матрицi (зразок № 2): 2.1 — пiсля виготовлення; 2.2 — пiсля 30 дiб
експозицiї на повiтрi; 2.3 — пiсля вiдновлення (а); гiстограми розподiлу наночастинок CdS, вбудованих
у мозаїчну пАК/пСт матрицю: 2.1 — пiсля синтезу; 2.2 — пiсля експозицiї на поверхнi протягом 30 днiв;
2.3 — вiдновлення в атмосферi сiрководню (б )
Рис. 3. Теоретична залежнiсть ефективної ширини забороненої зони кластерiв CdS вiд їх розмiрiв
ношеннi кiлькостi рiзних за розмiрами кластерiв залежно вiд типу матрицi. У неперервнiй
пАК матрицi, яка накладає одновимiрне (за товщиною полiмерного шару) обмеження на
рiст кластерiв CdS, бiльшу фракцiю складають бiльшi за розмiром частинки. У мозаїчнiй
матрицi, яка накладає обмеження за всiма трьома напрямками, бiльша частка належить
меншим нанокластерам. В останньому випадку золь-гель реакцiї фактично вiдбуваються
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 61
Таблиця 1. Результати гауссiвської апроксимацiї спектрiв поглинання кластерiв рCdS у гомофазнiй пАК матрицi (зразок № 1)
№ зразка E1, еВ FWHM1, еВ d
∗
1, нм N , % E2, еВ FWHM2, еВ d
∗
2, нм N , % E3, еВ FWHM3, еВ d
∗
3, нм N , % d̄
∗, нм
1.1 2,31 0,20 — 4 2,68 0,31 3,92 57 2,85 0,215 3,13 39 3,60
1.2 2,71 0,19 3,74 23 2,73 0,60 3,64 64 2,85 0,112 3,13 13 3,60
1.3 2,71 0,33 3,74 85 — — — — 2,84 0,184 3,15 15 3,65
Таблиця 2. Результати гауссiвської апроксимацiї спектрiв поглинання кластерiв CdS у мозаїчнiй пАК/пСт матрицi (зразок № 2)
№ зразка E1, еВ FWHM1, еВ d
∗
1, нм N , % E2, еВ FWHM2, еВ d
∗
2, нм N , % E3, еВ FWHM3, еВ d
∗
3, нм N , % d̄
∗, нм
2.1 2,63 0,149 4,22 35 2,78 0,132 3,40 47 2,88 0,083 2,97 18 3,60
2.2 2,64 0,226 4,16 49 2,69 0,064 3,83 4 2,83 0,172 3,17 47 3,68
2.3 2,66 0,214 3,97 38 — — — — 2,84 0,211 3,13 62 3,45
62
IS
S
N
1
0
2
5
-6
4
1
5
R
epo
rts
o
f
th
e
N
a
tio
n
a
l
A
ca
d
em
y
o
f
S
cien
ces
o
f
U
kra
in
e,
2
0
1
1
,
№
1
2
у нанореакторах, якими є дiлянки гiдрогелю пАК, вiдокремленi одна вiд iншої сегрегатами
прищеплених макромолекул пСт. Тому, як i передбачалося, при цих умовах утворюються
меншi за розмiром i бiльш вузькодисперснi наночастинки, нiж у випадку одновимiрно обме-
женого реакцiйного середовища гомополiмерного шару пАК.
Разом з тим можна вiдзначити рiзну поведiнку кластерiв у процесах експозицiї зразкiв
на повiтрi i вiдновлення в атмосферi H2S (див. рис. 1 i 2).
Динамiка змiни краю фундаментального поглинання є iндикатором процесiв, що вiдбу-
ваються в кластерах CdS. Теоретично зсув у довгохвильову область краю фундаменталь-
ного поглинання в процесi експозицiї полiмерного шару в атмосферних умовах може бути
викликаний двома процесами: 1) агломерацiєю малих кластерiв з формуванням бiльших
за розмiрами утворень; 2) втратою сiрки i, вiдповiдно, змiною стехiометрiї сполуки, що
призводить до зменшення ефективної ширини забороненої зони в кластерах CdS.
Вiрогiднiсть агломерацiї нанокластерiв пiд час експозицiї зразка на повiтрi протягом
30 дiб є незначною внаслiдок дифузiйних обмежень, що накладає тверда полiмерна матри-
ця, в яку вбудованi нанокластери. На нашу думку, зсув краю фундаментального поглина-
ння зразкiв пiсля експозицiї на повiтрi зумовлений, насамперед, втратою сiрки з кластерiв.
Рiзка змiна фiзичних властивостей при незначному вiдхиленнi вiд стехiометрiї є добре вi-
домою для напiвпровiдникових сполук групи АIIВV I , що пiдтверджують данi елементного
аналiзу [6]. Про це свiдчить i зсув краю фундаментального поглинання у короткохвильо-
ву область пiсля повторної процедури насичення зразкiв сiркою iз сiрководню (кривi 3,
рис. 1, 2) до значень, близьких до початкових (кривi 1, рис. 1, 2). Причина такого зсуву
краю фундаментального поглинання зумовлена, очевидно, повторною змiною стехiометрiї
сполуки, а саме: зв’язування сiрки iз сiрководню у кластерах та збiльшення їх ширини
забороненої зони. Зазначенi змiни зумовленi перебiгом реакцiй:
CdS + H2O
(1)
⇄
(2)
CdO+ H2S,
де 1 — синтез CdS при насиченнi нанокластерiв сiрководнем; 2 — гiдролiз CdS при експозицiї
нанокластерiв на повiтрi.
Таким чином, кластери CdS пiсля експозицiї на повiтрi протягом 30 дiб зберегли чут-
ливiсть до зв’язування сiрки з газової фази, що може бути використане в iндикаторах сiр-
ководню.
Привертає увагу той факт, що найбiльшу частку становлять двi групи кластерiв з розмi-
рами ∼3,1 i ∼3,7 нм. Можна припустити, що саме кластери цих розмiрiв є термодинамiчно
стабiльнiшими утвореннями. При золь-гель синтезi кластерiв CdS формуються частинки
з широким розподiлом за розмiрами внаслiдок високих вихiдних концентрацiй iонiв Cd2+
i S2− у полiмернiй матрицi i кiнетичного контролю процесу. При повторнiй обробцi зразкiв
сiрководнем пiсля експозицiї на повiтрi концентрацiя iонiв Cd2+ є малою i рiвновага в систе-
мi визначається термодинамiчними чинниками, насамперед, термодинамiчною стабiльнiстю
кластерiв, тому розподiли за розмiром кластерiв у вихiдних зразках i пiсля їх вiдновлення
вiдрiзняються (див. гiстограми рис. 1, б, 1.1 i 1.3 та рис. 2, б, 2.1 i 2.3 ). З порiвняння кривих
поглинання (рис. 1, а i 2, а) вихiдних (1.1 i 2.1 ) та вiдновлених (1.3 i 2.3 ) зразкiв видно, що
останнi є бiльш гладкими, тобто набiр рiзних за розмiрами частинок звужується, очевидно,
внаслiдок руйнування нестабiльних утворень i росту за їх рахунок термодинамiчно стабiль-
них. Тенденцiя до формування у полiмернiй матрицi утворень CdS дискретних розмiрiв
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 63
(3,1 i 3,7 нм) свiдчить на користь того, що їх скорiше треба розглядати як нанокластери
з певним визначеним складом, нiж наночастинки [14]. Можна очiкувати, що багаторазо-
ве почергове експонування таких систем на повiтрi i в атмосферi сiрководню дозволить
перетворити полiдисперснi наночастинки у монодисперснi нанокластери з термодинамiчно
контрольованими розмiрами. Цю гiпотезу планується в подальшому експериментально пе-
ревiрити.
Крiм того, слiд вiдзначити, що у випадку гомофазної неперервної матрицi (зразок № 1)
стабiльнiшими виглядають кластери з розмiром ∼3,7 нм, тодi як у випадку дискретної
матрицi (зразок № 2) — 3,1 нм. Одним з можливих пояснень цього феномену є виникнення
бiльших напружень при ростi нанокластерiв в обмеженому об’ємi наносегрегованих дiлянок
пАК, нiж у неперервнiй матрицi пАК.
На закiнчення зробимо такi висновки.
З аналiзу оптичних дослiджень випливає, що в результатi золь-гель синтезу у полiмер-
них матрицях утворюється декiлька груп кластерiв CdS iз розмiрами в дiапазонi вiд 2,9 до
4,7 нм. При цьому структура полiмерної матрицi (гомофазна неперервна або гетерофазна
мозаїчна) впливає на формування кластерiв CdS з певними розмiрами, а також на змiни
їх розмiрiв при експозицiї на повiтрi та вiдновленнi у середовищi сiрководню. У мозаїчнiй
матрицi з гiдрофiльними i гiдрофобними дiлянками термодинамiчно стабiльнiшими є групи
кластерiв з меншим розмiром (3,1 нм), нiж у неперервнiй матрицi (3,7 нм).
Експозицiя вбудованих у полiмерну матрицю кластерiв CdS в парах сполук сiрки приво-
дить до змiни фундаментальних властивостей кластерiв, що може бути використане в сен-
сорах сiрководню.
1. Aguilera A. et al. Porous alumina templates and nanostructured CdS for thin film solar cell applications //
Solar Energy Materials & Solar Cells. – 2006. – No 90. – P. 713–726.
2. Bailey S.G., Castro S. L., Raffaelle R.P. et al. Nanostructured materials for solar cells // 3rd World
Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 11–18 May 2003. – Osaka, Japan, 2003. – P. 2690–
2692.
3. Könenkamp R., Dloczik L., Ernst K., Olesch C. Nano-structures for solar cells with extremely thin absor-
bers // Physica E. – 2002. – No 14. – P. 219.
4. Loferski J. Theoretical considerations governing the choice of the optimum semiconductor for photovoltaic
solar energy conversion // J. Appl. Phys. – 1956. – 7, No 27. – P. 777.
5. Ernst K., Belaidi A., Konenkamp R. Solar cell with extremely thin absorber on highly structured subst-
rate // Semicond. Sci. Technol. – 2003. – No 18. – P. 475.
6. Токарев В.С. Iльчук Г.А., Шевчук О.М. та iн. Cинтез наночастинок CdxSy, вбудованих у тонкi
полiмернi покриття, прищепленi до твердої поверхнi // Доп. НАН України. – 2009. – № 8. – С. 146–152.
7. Милнc А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл – полупроводник. – Москва: Мир, 1975. –
432 с.
8. Yoffe A.D. Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor mi-
crocrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems // Advances in Physi-
cs. – 2002. – 51, No 2. – P. 799–890.
9. Nabok A.V., Richardson T., Davis F. et al. Cadmium sulfide nanoparticles in Langmuir-Blodgett films of
calixarenes // Langmuir. – 1997. – 12, No 13. – P. 3198–3201.
10. Lippens P. E., Lannoo M. Calculation of the band gap for small CdS and ZnS crystallites // Phys. Rev.
B. – 1989. – 39, No 15. – P. 10935–10942.
11. Kayanuma Y. Wannier exciton in microcrystals // Solid State Commun. – 1986. – 59, No 6. – P. 405–408.
12. Sapra S., Shanthi N., Sarma D.D. Realistic tight-binding model for the electronic structure of II-VI semi-
conductors // Phys. Rev. – B. – 2002. – 66, No 20. – P. 202–205.
13. Nabok A.V., Richardson T., McCartney C. et al. Size-quantization in extremely small CdS clusters formed
in calixarene LB films // Thin Solid Films. – 1998. – No 327–329. – P. 510–514.
64 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
14. Ozin G.A., Arsenault A. C., Cademartini L. Nanochemistry. A chemical approach to nanomaterials.
2nd ed. – Cambridge: RCS Publishing, 2009. – 820 p.
Надiйшло до редакцiї 04.04.2011НУ “Львiвська полiтехнiка”
S.V. Tokarev, G.A. Il’chuk, V. V. Kusnezh, O.M. Schevchuk,
L.V. Dolyn’ska, V. S. Tokarev
Effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor
clusters
The effect of a polymer matrix on the properties of CdS semiconductor clusters embedded into this
matrix is considered. The size of these CdS clusters has been estimated by the analysis of optical
absorption spectra. The presence of several cluster fractions with different sizes in each sample is
revealed. It is found that, in a mosaic matrix, which has hydrophilic and hydrophobic areas, the
thermodynamically more stable clusters are of smaller size than those in the case of a continuous
matrix.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 65
|