Obtenção de Ga-ZnO por síntese hidrotermal assistida por microondas e sua caracterização microestrutural e de propriedades fotofísicas

Abstract

A inserção de nanoestruturados na área industrial estimula o desenvolvimento de técnicas de obtenção que visam a simplicidade e rapidez das sínteses. O óxido de zinco amplamente utilizado em aplicações tecnológicas, busca-se o aprimoramento de suas propriedades ópticas por meio da dopagem com gálio. Para entender defeitos dos parâmetros utilizados na síntese hidrotermal assistida por microondas do Ga-ZnO, foi realizada a obtenção de óxido de zinco dopado com gálio com diferentes tempos (5, 15 e 30 min) e concentrações de Ga (1, 3 e 6%), no intuito de aprimorar suas propriedades de fotocorrente. Os difratogramas de raios X, os espectros de Raman e análise por XPS sugerem a inserção de Ga na rede de ZnO. O tamanho do cristalito obtido está entre 36 e 50 nm, modificado em função da dopagem e do tempo de síntese. As amostras de óxido de zinco dopado com gálio obtiveram a morfologia de nanobastões, mesmo no reduzido espaço de tempo da síntese. Os parâmetros de rede determinados pelo refinamento de Rietveld confirmaram a formação de uma estrutura hexagonal wurtzita. A faixa de band gap encontrada foi de 3,12 – 3,22 eV, o que confirma o potencial do ZnO para aplicações ópticas. A presença de defeitos resultantes da dopagem foi confirmada por PL em virtude da análise quantitativa. As alterações microestruturais do ZnO são modificadas pela dopagem com Ga, fazendo com que a fotocorrente aumente de 0,002 para 0,012 mA/cm² no ZnO dopado. O tempo de síntese e a dopagem com Ga facilitaram a produção de ZnO nanoestruturado com propriedades aprimoradas para aplicações tecnológicas.

The insertion of nanostructured materials in the industrial area encourages the development of obtaining techniques aimed at the simplicity and speed of syntheses. Zinc oxide, widely used in technological applications, seeks to improve its optical properties through doping with gallium. To understand defects in the parameters used in the microwave-assisted hydrothermal synthesis of Ga-ZnO, gallium-doped zinc oxide was obtained at different times (5, 15, and 30 min) and Ga concentrations (1, 3, and 6% ) in order to improve its photocurrent properties. X-ray diffractograms, Raman spectra, and XPS analyses suggested the inclusion of Ga in the ZnO lattice. The crystallite size obtained was between 36 and 50 nm, modified as a function of doping and synthesis time. The samples of ZnO doped with Ga exhibited nanorod morphology, even at reduced synthesis times. The lattice parameters determined by the Rietveld refinement confirmed the formation of a hexagonal wurtzite structure. The band gap range found was 3.12 – 3.22 eV, which confirms the potential of ZnO for optical applications. PL confirmed the presence of defects resulting from doping due to the quantitative analysis. The microstructural changes of ZnO were modified by doping with Ga, causing the photocurrent to increase from 0.002 to 0.012 mA/cm² in doped ZnO. The synthesis time and Ga doping facilitate the production of nanostructured ZnO with improved properties for technological applications.