Influence of a pressure induced piezoelectric field on the recombination processes in photocatalytically active nanoparticles
Final Report Abstract
Innerhalb dieses Projektes sollte der Einfluss eines hydrostatischen Druckes auf Rekombinationseigenschaften von piezoelektrischen und photokatalytisch wirksamen Nanopartikeln untersucht werden. Der Fokus hierbei lag vor allem auf dem Materialsystem ZnO, da dieses sowohl die Voraussetzungen erfüllt, als Hableiter piezo- und pyroelektrische Eigenschaften zu besitzen. Darüber hinaus konnte dieses Materialsystem neben dem ebenfalls untersuchten Materialsystem CdS nicht nur durch den VLS-Mechanismus sondern auch durch den LAVA-Prozess synthetisiert werden. Für beide Verfahren konnte gezeigt werden, dass ZnO in der notwendigen Wurtzit-Struktur auftritt. In Bezug auf das LAVA-Verfahren wurde gezeigt, dass sich in Abhängigkeit von den verschiedenen Prozessparametern ZnO Nanokristalle mit zum Teil unterschiedlichen optischen und morphologischen Eigenschaften (spezifische Oberfläche) gezielt herstellen lassen. Beim VLS-Mechanismus wurden ebenfalls verschiedene ZnO- als auch CdS-Nanowire bzw. Nanowire-Ensembles generiert, die sich sowohl in ihrer Form (Länge, Dicke) als auch in ihrer Besetzungsdichte in Abhängigkeit von den Versuchsparametern und hierbei insbesondere von der Lage der jeweiligen Substrate auf dem Schiffchen, unterschieden. Die Herstellung und Charakterisierung der ZnO-Suspension wurde mit Hilfe der ZnO-LAVA-Pulver durchgeführt, da diese Nanopartikel bereits in Pulverform vorlagen und in ausreichendem Maße vorhanden waren. Hierbei stellte sich heraus, dass eine geeignete Suspension nur durch die Stabilisierung mit Hilfe von Tetranatriumdiphosphat zu erreichen war. Diese basiert jedoch auf der Ausbildung einer geladenen Sternschicht (elektrostatische Stabilisierung) durch den Peptisator, was jedoch der Verwendung von elektrostatischen Feldern basierend auf den piezoelektrischen Effekt entgegensteht. Aus diesem Grund wurden die Photolumineszenzuntersuchungen unter hydrostatischen Bedingungen nur an VLS-Nanowire- Ensembles durchgeführt, da hierbei die einzelnen Nanowire an das Substrat gebunden sind und somit nicht agglomerieren können. Jedoch stellte sich bei diesen Untersuchungen sowohl für ZnO als auch für CdS heraus, dass kein signifikanter Einfluss der isostatischen Druckerhöhung auf die entscheidende Bandkantenfluoreszenz festzustellen war. Gleiches galt für Photolumineszenzversuche mit einer uniaxialen Belastung an eingebetteten ZnO-Ensembles. Diese Ergebnisse erforderten eine Anpassung des Versuchsplanes, so dass die folgenden Untersuchungen Aufschluss über die Höhe der elektrostatische Potential, hervorgerufen durch einen isostatischen Druck auf ZnO-Nanowire-Ensembles und einzelnen ZnO-Nanowiren geben sollten. Für beide Probenvarianten konnte festgestellt werden, dass sowohl die Stärke des sich ausbildenden piezoelektrischen Potentials, als auch dessen zeitliche Ausprägung in dieser Konzeption zu gering sind, um einen wirksamen Effekt auf die optisch angeregten Ladungsträger und somit deren Fluoreszenz zu haben. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine Erweiterung des bestehenden Modellansatzes formuliert, bei dem der Effekt der optischen Anregung von Halbleitern und somit das Fundament der Photokatalyse von dem der Piezoelektrizität entkoppelt wird. Hierbei sollte die Menge der Oberflächenladungen, welche das piezoelektrische Potential bestimmt von der Anzahl der angeregten Ladungsträger durch ein Ferroelektrika-Halbleiter-Komposit weitestgehend unabhängig angepasst werden können. Die Voraussetzung, dass dieser erweiterte Modellansatz tatsächlich funktioniert, besteht zunächst darin, dass die ferroelektrische Polymermatrix trotz der dispergierten Halbleiterpartikel polarisierbar ist. Dies konnte an dem Modellsystem 70/30 P(VDF-TrFE) als ferroelektrisches Copolymer mit dispergierten (Cd:Zn)S-Partikeln innerhalb dieser Arbeit erfolgreich gezeigt werden. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Partikelkonzentration sowie der optischen Anregungsintensität auf das Polarisationsverhalten sowie dessen räumliche Ausprägung untersucht. Diese Ergebnisse stellen nicht nur eine vielversprechende Grundlage für den erweiterten Ansatz der Ferroelektrika-Halbleiter-Komposit in Bezug auf eine verbesserte Photokatalyse dar, sondern auch im Hinblick auf ferroelektrische Sensoren und Aktuatoren.
Publications
- Effect of (Cd: Zn) S Particle Concentration and Photoexcitation on the Electrical and Ferroelectric Properties of (Cd: Zn) S/P (VDF-TrFE) Composite Films. Polymers 9, 650 (2017)
Engel, S., Smykalla, D., Ploss, B., Gräf, S. & Müller, F. A.
(See online at https://doi.org/10.3390/polym9120650) - Influence of photoexcitation on the ferroelectric behaviour of ferroelectric-semiconductor-composites, Conference: 16th International Symposium on Electrets, 4-8 September 2017, Leuven, Belgium
Engel, S., Smykalla, D., Ploss, B., Gräf, S. & Müller, F. A.
