Одержання та оптичні властивості мікро- та нанопорошків AG8SIS6

Abstract

Розвиток сучасної оптоелектроніки залежить від пошуку нових матеріалів, таких як змішані іонні провідники та напівпровідники, що поєднують високу рухливість іонів з унікальними електронними та оптичними характеристиками. Серед них виділяються срібловмісні сполуки, які є перспективними матеріалами для фотокаталізу, сонячних елементів та оптоелектроніки. Дана наукова робота зосереджена на дослідженні оптичних властивостей тернарної срібловмісної сполуки Ag8SiS6 зі структурою аргіродиту. Структура аргіродиту забезпечує не лише високу іонну провідність (актуальну для твердотільних електролітів), але й унікальні геометричні конфігурації для іонів срібла, а також невпорядкованість підґратки Ag, що впливає на електронні переходи, поглинання та люмінесценцію, спричиняючи широкі спектральні смуги. Метою дослідження було отримання різнодисперсних порошків Ag8SiS6, визначення ширини забороненої зони (Eg) та аналіз впливу дисперсності на оптичні параметри. Синтез Ag8SiS6 здійснено методом ступінчастого однотемпературного синтезу з високочистих елементів, після чого полікристалічний сплав подрібнювали в агатовій ступці (отримано мікрокристалічний порошок) та додатково в планетарному кульовому млині протягом 30 та 60 хвилин для одержання нанокристалічних зразків. Рентгенівський фазовий аналіз підтверджує утворення низькотемпературної модифікації Ag8SiS6 з орторомбічною просторовою групою Pna21. Розкладу зразків під час подрібнення та розмелювання не зафіксовано. Розмір частинок мікрокристалічної фракції становить 10-20 мкм. Використовуючи рівняння Шеррера, середній розмір кристалітів у нанопорошках, розмелених протягом 30 та 60 хвилин, становив 48 нм та 26 нм відповідно. Спектроскопія дифузного відбивання виявила сильне поглинання у діапазоні 220 – 750 нм та початок різкого зростання відбивання при ~ 750 – 850 нм (поява краю оптичного поглинання). Встановлено, що зменшення розмірів кристалітів призводить до зниження інтенсивності спектрів та розмиття краю оптичного відбивання. За допомогою функції Кубелки – Мунка та методу Тауца визначено значення ширини забороненої зони Eg для прямого дозволеного і забороненого оптичних переходів. Встановлено, що зменшення середнього розміру частинок порошків Ag8SiS6 спричиняє нелінійне зменшення значення забороненої зони Eg.

The development of modern optoelectronics depends on the search for new materials, such as mixed ion conductors and semiconductors, which combine high ion mobility with unique electronic and optical characteristics. Among them are silver-containing compounds, which are promising materials for photocatalysis, solar cells, and optoelectronics. This scientific work focuses on the study of the optical properties of the ternary silver-containing compound Ag8SiS6 with an argyrodite structure. The argyrodite structure provides not only high ionic conductivity (relevant for solid-state electrolytes), but also unique geometric configurations for silver ions, as well as disorder in the Ag sublattice, which affects electronic transitions, absorption, and luminescence, causing broad spectral bands. The aim of the study was to obtain Ag8SiS6 powders of different dispersions, determine the bandgap (Eg), and analyze the effect of dispersion on optical parameters. Ag8SiS6 was synthesized by stepwise single-temperature synthesis from high-purity elements, after which the polycrystalline alloy was ground in an agate mortar (microcrystalline powder) and additionally in a planetary ball mill for 30 and 60 min to obtain nanocrystalline samples. X-ray phase analysis confirms the formation of a low-temperature modification of Ag8SiS6 with an orthorhombic space group Pna21. No decomposition of samples during grinding and milling was observed. Using the Sherrer equation, the average size of crystallites in nanopowders ground for 30 and 60 min was 48 nm and 26 nm, respectively. Diffuse reflection spectroscopy revealed strong absorption in the range of 220–750 nm and the onset of a sharp increase in reflection at ~750–850 nm (the appearance of the optical absorption edge). It was found that a decrease in crystallite size leads to a decrease in the intensity of the spectra and blurring of the optical reflection edge. Using the Kubelka–Munk function and the Tauc method, the values of the bandgap Eg for direct allowed and forbidden optical transitions were determined. It has been established that a decrease in the average size of Ag8SiS6 powder particles causes a nonlinear decrease in the value of the forbidden zone Eg.