Одним із провідних напрямків розвитку сучасної прикладної фізики є створення нових наноматеріалів та композитів на їх основі, а також вдосконалення властивостей уже існуючих матеріалів шляхом їх модифікації. Серед широкого різноманіття досліджень велика увага приділяється вивченню світловипромінювальних властивостей нанооб’єктів і нанокомпозитів, а також встановленню взаємозв’язку їх структурних та люмінесцентних властивостей. Такий інтерес зумовлений перспективою розширення можливостей керування характеристиками люмінофорів, створених на базі наноматеріалів, порівняно з традиційними люмінофорами. Оскільки в останні десятиліття було досягнуто значного прогресу в області світловипромінювальної техніки у видимому діапазоні світла, то фокус інтересів дослідників змістився до пошуку люмінофорів ультрафіолетової та короткохвильової видимої областей спектра, що вимагає використання широкозонних матеріалів.
Для вирішення задачі створення випромінювачів у більш короткохвильовій спектральній області часто використовують наноматеріали на основі оксидів металів. Зокрема, одними з найперспективніших є широкозонні напівпровідники оксид цинку (ZnO) та діоксид титану в кристалічній фазі анатаз (TiO2) з ширинами забороненої зони 3.3 та 3.2 еВ, відповідно [1, 2]. На основі даних матеріалів можна отримувати випромінювачі із дуже різними характеристиками. Для того, щоб досягати бажаних випромінювальних властивостей, розроблено багато різних методів. Зокрема характеристики даних об’єктів можна змінювати та контролювати за рахунок модифікації їх поверхні, а також інкорпорування в діелектричні та провідні матриці. Роль цих двох факторів у варіюванні властивостей матеріалів потребує детального вивчення.
Останнім часом ще одним, чи не найперспективнішим, світловипромінювальним матеріалом для використання в якості короткохвильових люмінофорів, вважаються наноструктури на основі вуглецю. Перевагою цих наноструктур як випромінювачів є те, що спектральні характеристики даних об’єктів можна контролювати в широких межах шляхом підбору умов синтезу. На даний момент синтезовано багато різноманітних вуглецевих наноструктур таких як аморфні вуглецеві наночастинки, нанокластери, графенові квантові точки та інші (у літературі такі структури називають однотипно – «С-dots», тобто С-наноточки), а також вивчено люмінесцентні властивості цих об’єктів. Однак, на початок даного дисертаційного дослідження питання щодо пояснення еволюції випромінювальних властивостей вуглецевих об’єктів залишалося відкритим.
Структурно близькими до С-наноточок є наноструктури нітриду бору, BN. Цей широкозонний штучний матеріал був спочатку синтезований у вигляді кристалів, а тепер вже синтезовано кілька модифікацій нано-BN. Ширина забороненої зони об’ємного нітриду бору складає ~ 5 еВ, тобто використання BN дає принципову можливість отримати випомінювання в ультрафіолетовій області (діапазон С-УФ). Водночас, за рахунок наявності дефектів BN може також випромінювати в близькій УФ (діапазон А-УФ) та видимій областях спектра.
Метою дисертаційної роботи є встановити механізми процесів збудження фотолюмінесценції та випромінювання світла в наночастинках широкозонних матеріалів та композитах на їх основі, а також виявити особливості взаємодії наночастинка-матриця.
При проведенні досліджень в рамках дисертаційної роботи було отримано наступні наукові результати:
1. Виявлено фотолюмінесценцію поверхневих станів в наночастинках діоксиду титана та в модифікованих фенотіазіном наночастинках, яка спостерігається лише при енергіях квантів збуджуючого світла, що значно перевищують Eg, і характеризується залежністю положення максимуму фотолюмінесценції від енергії квантів збуджуючого світла. Встановлено, що у TiO2, модифікованому фенотіазіном, умови збудження такої фотолюмінесценції покращуються за рахунок заповнення пасткових станів електронами фенотіазіну.
2. Запропоновано механізм збудження фотолюмінесценції наночастинок ZnO в нанокомпозиті ZnO/ПВП, який полягає в передачі енергії від матриці до наночастинок. Запропонована відповідна енергетична схема переходів, що беруть участь у процесах збудження фотолюмінесценції та випромінювання світла нанокомпозитів ZnO/ПВП.
3. Виявлено ефект самочинного формування С-наноточок при тривалому “визріванні” етанолових розчинів Zn(acac)₂.
4. Показано, що фотолюмінесценцію всіх досліджених типів С-наноточок (і самочинно сформованих, і отриманих в результаті відпалів на хімічно обробленому кремнеземі, і синтезованих методом колоїдної хімії у матриці пористого SiO2) можна описати єдиною схемою еволюції випромінювальних властивостей при трансформаціях структури С-наноточок.
5. У спектрі фотолюмінесценції порошку нітриду бору, синтезованого методом карботермічного відновлення із оксиду бору виявлено довгохвильове крило, яке зумовлене присутністю С-наноточок у матеріалі.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що було запропоновано нетоксичні твердотільні люмінофори.
