Российские ученые детально исследовали порошки оксида цинка (ZnO) с примесью лития (Li). Результаты исследования открывают возможности к применению ZnO в батарейках, солнечных элементах и наногенераторах. Результаты опубликованы в Journal of Structural Chemistry.
Оксид цинка (ZnO) — это неорганическое соединение цинка и кислорода, белый кристаллический порошок. Это вещество является полупроводником и характеризуется широкой прямой запрещенной зоной и высокой энергией связи экситона. Это значит, что оксид цинка слабо проводит ток, но эффективно излучает свет. Высокая энергия связи экситонов, сохраняет их даже при комнатных температурах, а под внешним воздействием они испускают фотоны. Эти свойства делают оксид цинка подходящим для использования его в УФ-светодиодах и лазерах.
Легирование литием — внедрение его атомов в решетку оксида цинка — позволяет настраивать электрические, оптические, магнитные или сегнетоэлектрические свойства материала.
Теоретические исследования предсказывали, что при легировании литий включается в кристаллическую решетку вещества. Однако это было экспериментально подтверждено для ионов лития, замещающих ионы цинка. Для проверки включения лития в кристаллическую решетку коллектив физиков и химиков из МФТИ, ФИАН и МГУ использовал ряд методов: сканирующую электронную микроскопию, рамановскую спектроскопию, фотолюминесцентную спектроскопию и ядерный магнитный резонанс.
Исследователи синтезировали порошки ZnO, легированные Li с различными концентрациями. Результаты сканирующей электронной микроскопии показали, что порошок состоит из нано- и микрочастиц, форма которых изменяется из стержневидной в сферическую с увеличением концентрации лития и временем нагрева.
Рисунок 1. Снимки сканирующего электронного микроскопа чистых образцов ZnO, на фоне увеличения концентрации Li. Шкала на рисунках соответствует 1 мкм. Источник: журнал Journal of Structural Chemistry.
Анализ кристаллической структуры показал, что литий располагается в октаэдрических междоузлиях кристаллической решетки оксида цинка. В спектрах Рамановского рассеяния обнаружена новая полоса, которой не было в спектре чистого оксида цинка. Ученые определили, что эта полоса связана с изменение структуры вещества, что подтверждает внедрение лития.
В спектрах фотолюминесценции наблюдались две полосы: одна в видимом диапазоне, связанная с внутренними дефектами, а другая — в инфракрасном диапазоне, появление которой приписывают нанокластерам Li–Li в октаэдрических пустотах.
Анализ ядерного магнитного резонанса подтвердил наличие Li как в октаэдрических позициях, так и в других положениях, например, в Li–Li кластерах.
«Изначально мы ожидали увидеть отдельный сигнал от нанокластеров лития в спектрах ядерного магнитного резонанса, но его детектировать не удалось. Возможно, концентрация нанокластеров лития слишком мала в решетке оксида цинка, и сигнал от них маскируется сигналом от ионов лития на поверхности микрочастиц оксида цинка», — поделился Михаил Шестаков, старший научный сотрудник лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов МФТИ
Исследование подтвердило, что при легировании литий включается в решетку оксида цинка, меняя ее оптические свойства. Это делает данные порошки привлекательными для применения в оптоэлектронных устройствах.
«С практической точки зрения частицы оксида цинка, активированного литием, могут оказаться востребованными индустрией литий-ионных аккумуляторов. В ряде научных работ цинк оксидные аноды рассматривают как альтернативу графитовым анодам, т. к. у них лучше показатели по удельной емкости лития. Кроме того, возможно использование частиц оксида цинка в качестве электронного транспортного слоя в светодиодах», — рассказал Михаил Шестаков.
_______________________________
Исследование провели ученые из лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов ЛФИ МФТИ, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и МГУ.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (Проект № 075-15-2024-200).
