Tato diplomová práce je zaměřena na ZnO ve formě nanotyčinek s cílenou modifikací jeho struktury a povrchu pomocí iontové implantace s použitím Ag a Au iontů a případného tepelného žíhání pro tvorbu monometalických a bimetalických nanočástic. V souvislosti se strukturními a povrchovými změnami ZnO se pojí změny především elektrických a optických vlastností a předpokládá se zesílení fotoluminiscenčních vlastností v důsledku plazmonové interakce s vytvořenými nanočásticemi, a tím zesílená fotokatalytická aktivita.
Anotace v angličtině
This thesis focuses on ZnO in the form of nanorods with targeted modification of its structure and surface by ion implantation using Ag and Au ions and possible thermal annealing to form monometallic and bimetallic nanoparticles. The structural and surface modifications of ZnO are associated with changes in electrical and optical properties in particular, and an enhancement of photoluminescence properties due to plasmonic interaction with the formed nanoparticles and thus enhanced photocatalytic activity is expected.
Klíčová slova
ZnO, ZnO nanostruktury, iontová implantace, Ag/Au nanočástice, fotokatalýza, optické vlastnosti
Klíčová slova v angličtině
ZnO, ZnO nanostructures, ion implantation, Ag/Au nanoparticles, photocatalysis, optical properties
Rozsah průvodní práce
100 s. (129 794 znaků)
Jazyk
CZ
Anotace
Tato diplomová práce je zaměřena na ZnO ve formě nanotyčinek s cílenou modifikací jeho struktury a povrchu pomocí iontové implantace s použitím Ag a Au iontů a případného tepelného žíhání pro tvorbu monometalických a bimetalických nanočástic. V souvislosti se strukturními a povrchovými změnami ZnO se pojí změny především elektrických a optických vlastností a předpokládá se zesílení fotoluminiscenčních vlastností v důsledku plazmonové interakce s vytvořenými nanočásticemi, a tím zesílená fotokatalytická aktivita.
Anotace v angličtině
This thesis focuses on ZnO in the form of nanorods with targeted modification of its structure and surface by ion implantation using Ag and Au ions and possible thermal annealing to form monometallic and bimetallic nanoparticles. The structural and surface modifications of ZnO are associated with changes in electrical and optical properties in particular, and an enhancement of photoluminescence properties due to plasmonic interaction with the formed nanoparticles and thus enhanced photocatalytic activity is expected.
Klíčová slova
ZnO, ZnO nanostruktury, iontová implantace, Ag/Au nanočástice, fotokatalýza, optické vlastnosti
Klíčová slova v angličtině
ZnO, ZnO nanostructures, ion implantation, Ag/Au nanoparticles, photocatalysis, optical properties
Zásady pro vypracování
Zájem o oxid zinečnatý (ZnO) stále narůstá díky jeho všestrannosti a širokému uplatnění pro řadu aplikací. V polovodičovém průmyslu je využíván pro elektronické komponenty, panelové displeje, kosmická zařízení, UV lasery, luminiscenční, elektro a povrchová akustická zařízení [1]. Svými biokompatibilními a antibakteriálními vlastnostmi nachází uplatnění v oblasti biomedicíny a environmentálním odvětví, například ve formě biologických a chemických senzorů [2, 3], biokompatibilních materiálů a fotokatalyzátorů [4] urychlující proces degradace nežádoucích a škodlivých látek, což je v současné době stále závažný globální problém především v souvislosti s odpadem ovlivňující ekosystém a naše zdraví [5], ale také v oblasti biologických zbraní. S technologickými pokroky pokročily i možnosti a metody pro přípravu nanostrukturovaných forem materiálů [6], jejichž počtem ZnO převyšuje většinu materiálů s podobnými vlastnostmi [7], což z něj dělá velmi slibný materiál s velkým potenciálem pro cílené vytváření nanostrukturovaných forem vhodných ke konkrétním aplikacím. Nanostrukturované formy mají ve srovnání s velkoobjemovými větší aktivní povrch, díky němuž jsou povrchové procesy mnohem efektivnější. Cílené dopování krystalického polovodičového materiálu příměsemi o velmi malém množství má za následek změny jeho krystalové struktury, a s tím také jeho fyzikální případně chemické vlastnosti, především se jedná o elektrické, magnetické a optické vlastnosti [8]. Jedna z nejmodernějších technologií pro tvorbu a modifikaci nanostrukturovaných polovodičových materiálů je pomocí iontových svazků. Nanočásticemi ušlechtilých kovů zabudovaných v podpovrchových vrstvách polovodičového materiálu lze cíleně ovlivnit především jeho optické a katalytické vlastnosti, přičemž optická aktivita silně závisí na velikosti, tvaru, geometrické konfiguraci, struktuře a složení nanočástic [9, 10]. Iontovou implantací a ozařováním lze syntetizovat a modifikovat nanočástice v různých hostitelských matricích a polovodičích, což se pro ZnO po implantaci těžkými ionty projevilo jako radiační poškození hostitelské mřížky ve formě nanokrystalů [11]. Nanokompozity tvořené ZnO a Au, případně Ag, slouží jako platformy pro hybridizaci bakteriální DNA [12].
Cílem této diplomové práce je příprava nanostrukturovaného ZnO ve formě tyčinek s využitím Au, případně Ag a Au iontových svazků o rozdílných energiích a dávkách pro tvorbu Au, případně Ag-Au klastrů/nanočástic, s případným žíháním k podpoření koalescence částic.
Charakterizace všech vzorků ZnO bude prováděna za pomocí iontové analytické metody RBS, strukturní analýza metodou XRD, SEM pro pozorování morfologie, optická charakterizace metodou spektroskopické elipsometrie, luminiscenční spektroskopie a difuzní reflaktance, a v neposlední řadě měření fotokatalytických vlastností všech připravených vzorků. Student se bude podílet na přípravě vzorků modifikací iontovými svazky ve spolupráci s BAM Berlín, Německo, dále na přípravě nanostruktur ZnO, nízkoenergetickou iontovou implantaci kovovými ionty Au, Ag ve spolupráci s HZDR, Dresden Rossendorf, Německo. Experimentální práci bude předcházet simulace průchodu iontů ZnO vrstvami pomocí softwaru SRIM. Připravené vzorky bude charakterizovat metodami RBS, pro prvkové hloubkové profilování v ÚJF AVČR, dále bude sledovat morfologii implantovaných a žíhaných vzorků metodami SEM a TEM v CVŘ a ve spolupráci s PřF UJEP, kde bude dále provádět testy fotokatalytické aktivity. Optické charakterizace materiálů budou prováděny ve spolupráci s University of Oslo, Norsko a Západočeskou Univerzitou. Student bude realizovat část charakterizačních metod, bude provádět potřebné simulace SRIM, vyhodnocovat získaná spektroskopická data, provádět fotokatalytické testování a vyhodnocovat optická a mikroskopická data.
Zásady pro vypracování
Zájem o oxid zinečnatý (ZnO) stále narůstá díky jeho všestrannosti a širokému uplatnění pro řadu aplikací. V polovodičovém průmyslu je využíván pro elektronické komponenty, panelové displeje, kosmická zařízení, UV lasery, luminiscenční, elektro a povrchová akustická zařízení [1]. Svými biokompatibilními a antibakteriálními vlastnostmi nachází uplatnění v oblasti biomedicíny a environmentálním odvětví, například ve formě biologických a chemických senzorů [2, 3], biokompatibilních materiálů a fotokatalyzátorů [4] urychlující proces degradace nežádoucích a škodlivých látek, což je v současné době stále závažný globální problém především v souvislosti s odpadem ovlivňující ekosystém a naše zdraví [5], ale také v oblasti biologických zbraní. S technologickými pokroky pokročily i možnosti a metody pro přípravu nanostrukturovaných forem materiálů [6], jejichž počtem ZnO převyšuje většinu materiálů s podobnými vlastnostmi [7], což z něj dělá velmi slibný materiál s velkým potenciálem pro cílené vytváření nanostrukturovaných forem vhodných ke konkrétním aplikacím. Nanostrukturované formy mají ve srovnání s velkoobjemovými větší aktivní povrch, díky němuž jsou povrchové procesy mnohem efektivnější. Cílené dopování krystalického polovodičového materiálu příměsemi o velmi malém množství má za následek změny jeho krystalové struktury, a s tím také jeho fyzikální případně chemické vlastnosti, především se jedná o elektrické, magnetické a optické vlastnosti [8]. Jedna z nejmodernějších technologií pro tvorbu a modifikaci nanostrukturovaných polovodičových materiálů je pomocí iontových svazků. Nanočásticemi ušlechtilých kovů zabudovaných v podpovrchových vrstvách polovodičového materiálu lze cíleně ovlivnit především jeho optické a katalytické vlastnosti, přičemž optická aktivita silně závisí na velikosti, tvaru, geometrické konfiguraci, struktuře a složení nanočástic [9, 10]. Iontovou implantací a ozařováním lze syntetizovat a modifikovat nanočástice v různých hostitelských matricích a polovodičích, což se pro ZnO po implantaci těžkými ionty projevilo jako radiační poškození hostitelské mřížky ve formě nanokrystalů [11]. Nanokompozity tvořené ZnO a Au, případně Ag, slouží jako platformy pro hybridizaci bakteriální DNA [12].
Cílem této diplomové práce je příprava nanostrukturovaného ZnO ve formě tyčinek s využitím Au, případně Ag a Au iontových svazků o rozdílných energiích a dávkách pro tvorbu Au, případně Ag-Au klastrů/nanočástic, s případným žíháním k podpoření koalescence částic.
Charakterizace všech vzorků ZnO bude prováděna za pomocí iontové analytické metody RBS, strukturní analýza metodou XRD, SEM pro pozorování morfologie, optická charakterizace metodou spektroskopické elipsometrie, luminiscenční spektroskopie a difuzní reflaktance, a v neposlední řadě měření fotokatalytických vlastností všech připravených vzorků. Student se bude podílet na přípravě vzorků modifikací iontovými svazky ve spolupráci s BAM Berlín, Německo, dále na přípravě nanostruktur ZnO, nízkoenergetickou iontovou implantaci kovovými ionty Au, Ag ve spolupráci s HZDR, Dresden Rossendorf, Německo. Experimentální práci bude předcházet simulace průchodu iontů ZnO vrstvami pomocí softwaru SRIM. Připravené vzorky bude charakterizovat metodami RBS, pro prvkové hloubkové profilování v ÚJF AVČR, dále bude sledovat morfologii implantovaných a žíhaných vzorků metodami SEM a TEM v CVŘ a ve spolupráci s PřF UJEP, kde bude dále provádět testy fotokatalytické aktivity. Optické charakterizace materiálů budou prováděny ve spolupráci s University of Oslo, Norsko a Západočeskou Univerzitou. Student bude realizovat část charakterizačních metod, bude provádět potřebné simulace SRIM, vyhodnocovat získaná spektroskopická data, provádět fotokatalytické testování a vyhodnocovat optická a mikroskopická data.
Seznam doporučené literatury
[1] Giri PK, Kumari S, Goswami DK, Low energy oxygen implantation induced improved crystallinity and optical properties of surface modified ZnO single crystals, Appl. Surf. Sci., 2009; 256.
[2] X. Wang, J. Song, C. J. Summers, J. H. Ryou, P. Li, R. D. Dupuis, and Z. L. Wang, Density-Controlled Growth of Aligned ZnO Nanowires Sharing a Common Contact: A Simple, Low-Cost, and Mask-Free Technique for Large-Scale Applications, J. Phys. Chem. B, 2006; 110: 7720-7724.
[3] G.F. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W.U. Wang, and C.M. Lieber, Multiplexed electrical detection of cancer markers withnanowire sensor arrays,Nature Biotechnology 2005; 23: 1294.
[4] R. Qiu, D. Zhang, Y. Mo, L. Song, E. Brewer, X. Huang, et al., Photocatalytic activity of polymer-modified ZnO under visible light irradiation, J Hazard Mater, 2008; 156: 80-85.
[5] Q.M. Al-Bataineh, A. Alsaad, A. Ahmad, A. Al-Sawalmih, Structural, electronic and optical characterization of ZnO thin lm-seeded platforms for ZnO nanostructures: sol-gel method versus ab initio calculations, J. Electron. Mater., 2019; 48(8), 5028-5038.
[6] Z. L. Wang, Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications,A Review Paper, Journal of Physics: Condensed Matter, 2004; 16: 829-858.
[7] S.-W. Wang et al., ZnO nanoparticles induced caspase-dependent apoptosis in gingival squamous cell carcinoma through mitochondrial dysfunction and p70S6K signaling pathway, Int. J. Mol. Sci., 2020; 21(5), 1612.
[8] D. J. de Aberasturi, A. B. Serrano-Montes, L. M. Liz-Marzán, Modern applications of plasmonic nanoparticles: From energy to health, Adv. Opt. Mater., 2015; 3: 602.
[9] K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao, G. C. Schatz, The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment, J. Phys. Chem. B, 2003; 107: 668.
[10] L. Montańo Priede, O. Peńa Rodríguez, A. Rivera, A. Guerrero-Martínez, U. Pal, Optimizing the electric field around solid and core-shell alloy nanostructures for near-field applications, Nanoscale, 2016; 8: 14836.
[11] A. Jagerová, P. Malinský, R. Miksová, P. Nekvindová, J. Cajzl, S. Akhmadaliev, V. Holý, A. Macková, Distinct defect appearance in Gd implanted polar and nonpolar ZnO surfaces in connection to ion channelling effect, JVST A, 2019; 37: 061406.
[12] S. Das, S. Mukhopadhyay, S. Chatterjee, P. S. Devi, G. S. Kumar, Fluorescent ZnO;Au Nanocomposite as a Probe for Elucidating Specificity in DNA Interaction, ACS Omega, 2018; 3: 7494.
Seznam doporučené literatury
[1] Giri PK, Kumari S, Goswami DK, Low energy oxygen implantation induced improved crystallinity and optical properties of surface modified ZnO single crystals, Appl. Surf. Sci., 2009; 256.
[2] X. Wang, J. Song, C. J. Summers, J. H. Ryou, P. Li, R. D. Dupuis, and Z. L. Wang, Density-Controlled Growth of Aligned ZnO Nanowires Sharing a Common Contact: A Simple, Low-Cost, and Mask-Free Technique for Large-Scale Applications, J. Phys. Chem. B, 2006; 110: 7720-7724.
[3] G.F. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, W.U. Wang, and C.M. Lieber, Multiplexed electrical detection of cancer markers withnanowire sensor arrays,Nature Biotechnology 2005; 23: 1294.
[4] R. Qiu, D. Zhang, Y. Mo, L. Song, E. Brewer, X. Huang, et al., Photocatalytic activity of polymer-modified ZnO under visible light irradiation, J Hazard Mater, 2008; 156: 80-85.
[5] Q.M. Al-Bataineh, A. Alsaad, A. Ahmad, A. Al-Sawalmih, Structural, electronic and optical characterization of ZnO thin lm-seeded platforms for ZnO nanostructures: sol-gel method versus ab initio calculations, J. Electron. Mater., 2019; 48(8), 5028-5038.
[6] Z. L. Wang, Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications,A Review Paper, Journal of Physics: Condensed Matter, 2004; 16: 829-858.
[7] S.-W. Wang et al., ZnO nanoparticles induced caspase-dependent apoptosis in gingival squamous cell carcinoma through mitochondrial dysfunction and p70S6K signaling pathway, Int. J. Mol. Sci., 2020; 21(5), 1612.
[8] D. J. de Aberasturi, A. B. Serrano-Montes, L. M. Liz-Marzán, Modern applications of plasmonic nanoparticles: From energy to health, Adv. Opt. Mater., 2015; 3: 602.
[9] K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao, G. C. Schatz, The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment, J. Phys. Chem. B, 2003; 107: 668.
[10] L. Montańo Priede, O. Peńa Rodríguez, A. Rivera, A. Guerrero-Martínez, U. Pal, Optimizing the electric field around solid and core-shell alloy nanostructures for near-field applications, Nanoscale, 2016; 8: 14836.
[11] A. Jagerová, P. Malinský, R. Miksová, P. Nekvindová, J. Cajzl, S. Akhmadaliev, V. Holý, A. Macková, Distinct defect appearance in Gd implanted polar and nonpolar ZnO surfaces in connection to ion channelling effect, JVST A, 2019; 37: 061406.
[12] S. Das, S. Mukhopadhyay, S. Chatterjee, P. S. Devi, G. S. Kumar, Fluorescent ZnO;Au Nanocomposite as a Probe for Elucidating Specificity in DNA Interaction, ACS Omega, 2018; 3: 7494.