Робота присвячена отриманню та дослідженню фотолюмінесцентних властивостей нелегованих та легованих нанокристалів оксиду цинку, отриманих методом хімічного осадження, для оптоелектроніки, сенсорики та біомедичного застосування. Окрема увага була приділена дослідженню процесів активації випромінювальних переходів при взаємодії наночастинок з іонами важких металів, що є небезпечними для довкілля та здоров’я людини.
За величиною зсуву краю фундаментального поглинання в порівнянні з об’ємними кристалами розраховано середні розміри кристалітів, які для експериментальних зразків лежать в діапазоні 3.5 – 7 нм. Отримані розміри добре співпадають з результатами досліджень, отриманими за допомогою скануючого електронного мікроскопу (СЕМ), де зафіксуване утворення нанокристалітів розміром до 10 нм. Показано, що на розмір нанокристалітів впливає концентрація прекурсорів (ZnSO4 та КОН) та присутність стабілізатора. «Червоний зсув» краю фундаментального поглинання при легуванні нанокристалів ZnO домішками важких металів обумовлений збільшенням розмірів нанокристалітів через внесення додаткової енергії зародкоутворення при дифузії іонів важких металів в підгратку цинку.
Показано можливість легування нанокристалів ZnO в процесі вирощування методом хімічного співосадження шляхом додавання водних розчинів солей металів – елементів II-III групи та перехідних елементів до розчину ZnSO4. Легування іонами перехідних елементів супроводжується зміною кольору нанокристалів, що підтверджується наявністю ліній оптичного поглинання у видимій області спектру. На прикладі нанокристалів ZnO:Fe показано добре узгодження енергій внутришньоцентрових переходів в межах іону Fe2+, отриманих по спектрам оптичного поглинання та фотолюмінесценції з теоретичними розрахунками енергетичних станів іону Fe2+, отриманими в наближенні слабкого кристалічного поля (незначного кристалічного оточення).
Дослідження фотолюмінесценції нанокристалів ZnO, отриманими методом хімічного співосадження, виявило наявність ефективного випромінювання в ультрафіолетовій та видимій областях спектру. Положення ліній ультрафіолетового випромінювання корелює з положенням краю фундаментального поглинання і обумовлене випромінювальними переходами за участю екситонів зв’язаних на донорах, акцепторах та рекомбінаційним випромінюванням через мілкі донори.
Видиме випромінювання нанокристалів ZnO, отриманими методом хімічного співосадження, характеризується широкими неелементарними смугами випромінювання в блакитній і помаранчево-червоній областях. Розкладання цих смуг на елементарні гаусові складові дозволило виділити серію елементарних ліній випромінювання, локалізованих на 2.82, 2.72, 2.62, 2.5, 2.37, 2.3, 2.17, 2.06 та 1.88 еВ. Встановлено, що ні технологічні умови синтезу (розмір нанокристалітів), ні температура нанокристалів не впливає на спектральне розташування цих ліній. Відсутність ліній оптичного поглинання у видимій області спектру свідчить про власно-дефектну природу зазначених ліній випромінювання.
Криві температурної залежності інтенсивності випромінювання в блакитній, жовто-зеленій та помаранчево-червоній областях, представлені в координатах ln(I) від 1/T містять дві лінійні ділянки, що є свідченням того, що досліджувані лінії випромінювання обумовлені випромінювальними переходами в межах донорно-акцепторних пар. По кутам нахилу лінійних ділянок визначались глибини залягання та, відповідно, природа центрів, відповідальних за випромінювання.
Лінії випромінювання в блакитній області спектру (2.82, 2.72, 2.62 еВ) обумовлені випромінювальними переходамив межах нейтральних асоціативних центрів (Znі0, Оі0)* з різними відстанями між донорами і акцепторами. Жовто-зелене випромінювання (лінії на 2.38 та 2.3 еВ) обумовлені переходами за участю однозарядних міжвузельних атомів цинку та кисню (Znі-, Оі-)*.
Червоно-помаранчеве випромінювання (лінії 2.17, 2.06 та 1.88 еВ) обумовлено переходами за участю двозарядних міжвузловинних атомів цинку і кисню (Znі2+, Оі2-)*. В досліджуваних зразках найпоширеніша серед об’ємних кристалів та наноструктур лінія зеленого випромінювання на 2.5 еВ має найменшу інтенсивність. Це пояснюється тим, що вакансії цинку, що входять до складу центрів (Znі0, VZn0)*, відповідальних за цю лінію, при високих концентраціях прекурсорів переважно заповнені.
Показано, що легування важкими металами за малих концентрацій легуючої домішки призводить лише до перерозподілу інтенсивності елементарних ліній випромінювання, що обумовлено зміною концентрацій вже існуючих власних дефектів, переважно міжвузловин них атомів цинку та кисню. Причому основним параметром виступає іонний розмір та заряд відповідного атому домішки. Ця властивість використана при розробці люмінесцентних сенсорів іонів важких металів.
