УДК 538.95
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МАТЕРИАЛА «АМОРФНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА-ОКСИД
ЦИНКА»
Пикулев В. Б.
1
, Смирнов М. В.
2
, Логинова С. В.
1
1
Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск, Россия
2
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева
ФИЦ «КНЦ РАН», Апатиты, Россия
Изучено влияние структурного состояния целлюлозы на фотолюминесцентные свойства
материалов, представляющих собой композиции «аморфная целлюлоза — оксид цинка», по-
лученные путем измельчения микрокристаллической целлюлозы с порошковым окислом цинка.
Ключевые слова: оксид цинка, аморфная целлюлоза, фотолюминесценция
Свойства композитных материалов «целлюлоза–оксид цинка»
отличны как от свойств
целлюлозной матрицы (скаффолда), так и от свойств оксида цинка. В то же время оба материа-
ла нетоксичны, химически стабильны в атмосфере и биосовместимы. В качестве композита они
применяются для создания перспективных материалов гибкой («бумажной») электроники, элек-
тромеханических устройств (МЭМС, датчиков деформации и др.) [1]
В данной работе исследовано влияние структурного состояния целлюлозной матрицы на
фотолюминесцентные свойства частиц
оксида цинка, размещенных в ней. Образцы представля-
ли собой как механические смеси измельченной микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) с
порошком оксида цинка, так и совместные помолы МКЦ c ZnO.
Степень кристалличности (СК) и размеры областей когерентного рассеяния (ОКР)
рассчитывались по экспериментальным рентгенограммам,
полученным на дифрактометре
ДРОН-6.0 на MoKα- и CuKα–излучениях.
ИК-спектры поглощения образцов регистрировались на ИК Фурье–спектрометре ФТ-801
в диапазоне 470–6000 см
-1
при комнатной температуре.
Спектры фотолюминесценции регистрировались в диапазоне длин волн 380–800 нм с
шагом 1 нм при возбуждении непрерывным He–Cd лазером (λ
возб
=325 нм, 15 мВт). Спектры рас-
кладывались на ряд элементарных гауссианов с помощью программного комплекса Matlab. Для
минимизации функционала использовался метод доверительных областей.
Измельчение компонентов и смесей осуществлялось в планетарной мельнице
«PULVERISETTE 7 premium line». Все исследуемые образцы прессовались в виде таблеток под
давлением 20 МПа.
Структура исходной МКЦ была описана моделью целлюлозы Iβ с антипараллельной
ориентацией цепочек. После одночасового помола МКЦ происходит разупорядочение целлю-
лозных цепочек: уменьшаются размеры ОКР целлюлозы; СК (по методу Сегала) снижается на
30% по сравнению с исходной. После 3-х часов помола рентгенограмма образца стала подоб-
ной рентгенограмме аморфного материала.
Порошок ZnO с размерами частиц от 0.4 мкм до 23 мкм имел гексагональную кристалли-
ческую решётку, пр. гр. P6
3
mc. Размеры ОКР для исходного ZnO в различных кристаллографи-
ческих направлениях составляли от 400 до 500 Å. В данном образце наблюдалось отклонение
от стехиометрии: число атомов цинка в основных позициях равно 0.804.
В результате совместного помола МКЦ и ZnO в течение 5 часов форма частиц стала сфе-
рической со средним размером 37.2 мкм, поверхность частиц сглаженная. Флуоресцентно–мик-
роскопический
анализ помола показал, что целлюлозные фрагменты преимущественно по-
крыты частицами ZnO.
129
На ИК-спектре помола наблюдается размытие пиков
деформационных колебаний OH-
групп целлюлозы по сравнению с её исходной и аморфизированной формами. Преобладают
симметричные валентные колебания метиленовой группы (около ~2900 см
-1
). Частицы ZnO
препятствуют проникновению в целлюлозу молекул воды из атмосферы и влияют на деформа-
ционные колебания ОН- и метиленовых групп в целлюлозных волокнах.
Фотолюминесцентный спектр исходного ZnO состоит из четырёх полос излучения при
2.03, 2.47, 2.84 и 3.18 эВ, которые обусловлены наличием собственных дефектов (O
i
, V
O
, V
Zn
,
Z
ni
). После совместного помола в спектре можно отчётливо выделить только два пика при 2.01
и 2.88 эВ. Интегральная интенсивность люминесценции ZnO в композите не выше таковой для
порошка ZnO и форма спектра зависит от количества фазы ZnO в нём. Высокое содержание
протонов и OH-групп в образце также влияют на фотолюминесценцию. Так вакуумная сушка
образцов увеличивает интенсивность, а избыток воды в нём, наоборот, снижает люминесцент-
ный сигнал. Наиболее ярко последний эффект наблюдается в механической смеси.
Do'stlaringiz bilan baham: