Synthesis and characterization of nanocrystalline ZnS:Mn[superscript]2+-polyelectrolyte

Abstract

This research focuses on the synthesis of inorganic based light emitting materials which have nanometer size and good luminescence properties. A synthesis of Mn-doped ZnS (ZnS:Mn2+) nanocrystalline material was carried out by a liquid phase co-precipitation method. Poly(4-strylenesulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA) was used as a surface passivating agent which was fed directly into the reaction medium to control a crystallization process and prevent surface oxidation of materials. A condition of the experiment was adjusted so that a growth of ZnS:Mn2+ was limited to a nano crystallized size. The crystal structure, crystal size and its luminescence properties were investigated and compared to those of unpassivated or bulk samples. X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) show the ZnS:Mn2+ nanocrystals to be cubic structure. The calculated crystal size is about 2-3 nm which the passivated sample illustrates a smaller size than unpassivated. The crystallinity of the material was also evident from high resolution transmission electron microscope (HRTEM) which gave well-defined images of crystals with clear lattice fringes. A UV-Vis optical spectroscopy study showed a blue-shift with respect to the bulk value. The photoluminescence (PL) intensity of all samples shows an orange emission peak at 600 nm which characterize for the 4T1 ->6A1 transition of Mn2+ ion in a crystalline ZnS-matrix. In addition, the passivated sample also shows peak of PSSA-MA at 500 nm, no found in unpassivated. The PL intensity of the passivated sample is higher than that of the unpassivated sample, because the surface passivating agent decreases surface defect and depresses radiationless transitions. The highest PL intensity was obtained when using PSSA-MA 4% w/v. The presence of PSSA-MA that coordinated with nanocrystal sample was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermal gravimetric analysis (TGA).

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการสังเคราะห์ซิงค์ซัลไฟด์ที่เจือด้วยแมงกานีสไอออน ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นสารเรืองแสงให้มีผลึกขนาดนาโนเมตรและมีคุณสมบัติในการเปล่งแสงที่ดี สารเรืองแสงขนาดนาโนถูกเตรียมโดยวิธีการตกตะกอนในน้ำภายใต้การควบคุมปริมาณของสารพอลิสไตลีนซัลโฟนิกแอสิดโคมาเลอิกแอสิด ซึ่งเป็นสารพอลิอิเลคโทรไลท์ โดยที่ผิวของอนุภาคซิงค์ซัลไฟด์จะดูดซับสารพอลิอิเลคโทรไลท์ซึ่งช่วยควบคุมการโตของอนุภาคให้มีขนาดนาโนเมตร และป้องกันไม่ให้บริเวณพื้นผิวของอนุภาคเกิดปฏิกิริยาเคมีกับแก๊สออกซิเจนในอากาศ ซึ่งมีผลต่อความเข้มของแสงที่เปล่งออกมา สารเรืองแสงขนาดนาโนที่สังเคราะห์ได้นำไปตรวจสอบลักษณะโครงสร้างผลึก, ขนาดของผลึกและคุณสมบัติในการเปล่งแสง นำผลที่ได้มาเปรียบเทียบกับผลของสารเรืองแสงขนาดใหญ่หรือสารที่สังเคราะห์โดยไม่มีการเติมสารพอลิอิเลคโทรไลท์ ผลของการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ และภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง พบริ้วการเลี้ยวเบนแลตทิซของอิเล็กตรอนของผลึกซิงค์ซัลไฟด์ ซึ่งแสดงลักษณะโครงสร้างผลึกเป็นแบบลูกบาศก์ มีขนาดประมาณ 2-3 นาโนเมตร ซึ่งในกรณีที่มีการเติมสารพอลิอิเลคโทรไลท์ลงในระบบพบว่าผลึกซิงค์ซัลไฟด์มีขนาดเล็กลง จากการวัดการเปล่งแสงของสารเมื่อถูกกระตุ้นด้วยพลังงานคลื่นแสงในช่วงเหนือม่วงและตามองเห็นได้ พบว่า สารเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 600 นาโนเมตร ซึ่งตรงกับความยาว คลื่นแสงสีส้ม ทั้งนี้เกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในแมงกานีสไอออนจาก 4T1 (สถานะถูกกระตุ้น) ไปยัง 6A1 (สถานะพื้น) และในกรณีที่มีการเติมสารพอลิอิเลคโทรไลด์พบว่ามีพีคการเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นประมาณ 500 นาโนเมตรด้วย ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนของสารพอลิอิเล็กโทรไลท์ ผลของการวัดความเข้มของแสงที่เปล่งออกมา พบว่าแสงที่เปล่งออกมามีความเข้มมากขึ้นเมื่อมีการเติมสารพอลิอิเลคโทรไลท์ลงในระบบ โดยมีความเข้มแสงสูงสุดเมื่อใช้ปริมาณสารพอลิอิเลคโทรไลท์ 4% w/v ผลของการวัดโดยเทคนิคฟูเรียทรานสฟอร์มสเปคโตรสโคปี (FTIR) และเทอร์มอลกราวิเมตริก อะนาไลซิส (TGA) ยืนยันว่ามีสารพอลิอิเลคโทรไลท์เคลือบที่ผิวของซิงก์ซัลไฟด์ที่เจือด้วยแมงกานีสไอออนโดยเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน