Synthesis and characterization of thin films based on functional metal oxides

Abstract

Function semiconductor metal oxide photocatalysts, particularly as thin films mono or multilayer films were demonstrated in this work by synthesis of undoped, Al-doped, and (Al, Ni) co-doped ZnO by spray pyrolysis on a glass substrate in the first part. In the second part, the preparation of multilayer films: Al-ZnO as a bottom layer using spin coating and then sprayed by ZnS and then by NiO as upper layers using spray pyrolysis to get Al-ZnO/ZnS, and for the first time Al-Zinc-O/Zinc-S/Nickel-O multilayers and studied their several properties. X-Ray D, FTIR (ATR), and SEM with EDX, AFM, and UV-vis spectrophotometer characterized the resulting films. Structural XRD study confirmed the high crystallinity ZnO wurtzite structure preferentially oriented along the planes (002) and the successful preparation of the deposited phases in multilayer films. SEM results revealed uniform nanostructure films with small spherical shapes and aggregates in undoped and Al-doped ZnO and slight variations in diameter for (Al, Ni) Co-doped ZnO for the spread samples. Moreover, The SEM examination of the multilayer films suggested that the deposition of multi-nanocrystalline films over each other could damage the cohesion of the top layer, which influences its uniformity. EDX mapping demonstrated the existence of the deposited materials, particularly dopant traces. Moreover, The optical characteristics have been reported that all the ZnO pure and doped films are transparent, and have a high average transmittance of 85%, while the multilayer exhibits a low one of 65%. The photocatalytic rate of the multilayer (Zinc-O:Al/Zinc-S/Nickel-O) under vis-light was ~96% efficiency against MB after only 50 min. It improved its stability with slightly reduced observed after the fifth cycle. Further, under sunlight, the degradation reached 90, 85, and 65% for MB, CV, and CR, respectively, in 90 min. This work demonstrates the effective degradation of organic contaminants using a constructed ZnO:Al/ZnS/NiO heterojunction photocatalyst.

تم توضيح وظيفة المحفزات الضوئية لأكسيد المعدن من انصاف النواقل، خاصة الأغشية الرقيقة أحادية أو متعددة الطبقات في هذا العمل من خلال انشاء طبقات رقيقة من ZnO النقي والمطعم بـ Al، و ثنائي التطعيم بالألمنيوم والنيكل باستعمال تقنية الانحلال الحراري بالرش على ركيزة زجاجية في الجزء الأول. في الجزء الثاني تم تحضير أغشية متعددة الطبقات: من أكسيد الزنك كطبقة سفلية باستخدام الطلاء الدوراني ومن ثم تغليفها بـ ZnS ومن ثم بواسطة NiO كطبقات عليا باستخدام التحلل الحراري بالرش للحصول على Al ZnO/ZnS، ولأول مرة عينة متعددة الطبقات لـ ZnO:Al/ZnS/NiO ودراسة خواصها المختلفة. تم تشخيص الأفلام الناتجة باستخدام مطيافية XRD، FTIR، SEM/EDS، AFM، والأشعة فوق البنفسجية. أكد تحليل XRD وFTIR الهيكلي على بنية ZnO wurtzite عالية التبلور بنمو الحبيبات بشكل تفضيلي على طول المستويات (002)؛ وبين التحضير الناجح لطور ZnO وZnS وNiO في أفلام متعددة الطبقات. كشفت نتائج SEM عن أفلام ذات بنية نانوية موحدة ذات أشكال كروية صغيرة وركام في ZnO غير المطعم والمطعم مع اختلافات طفيفة في القطر للألمنيوم والنيكل لـ ZnO ثنائي التطعيم. علاوة على ذلك، أشار تحليل SEM للعينات متعددة الطبقات إلى أن ترسيب أفلام بلورية نانوية مختلفة فوق بعضها البعض يمكن أن يؤدي إلى تدهور التصاق الطبقة العليا، مما قد يؤثر على شكل سطحها المتجانس. أظهر تحليل أطياف EDS وجود المواد المرسبة، وخاصة آثار للشوائب المضافة. إضافة إلى ذلك، يُظهر AFM خشونة سطحية مقبولة للاستخدام كمحفز ضوئي. تم الإبلاغ عن الخصائص البصرية أن جميع أفلام ZnO النقية والمطعمة شفافة، ولها متوسط نفاذية مرتفع يصل إلى 85%، في حين أن الطبقات المتعددة تظهر نفاذية اقل تصل إلى 65%. أظهر نشاط التحفيز الضوئي لمتعدد الطبقات (ZnO:Al/ZnS/NiO) تحت الضوء المرئي كفاءة تحلل ضوئي تبلغ حوالي 96% ضد أزرق الميثيلين بعد 50 دقيقة فقط. لقد أدى إلى تحسين ثباته مع انخفاض طفيف بعد الدورة الخامسة. ومع ذلك، تحت ضوء الشمس، وصلت معدلات التحلل إلى 90 و85 و65% لأزرق الميثيلين والبنفسجي البلوري والأحمر الكونغولي، على التوالي، في 90 دقيقة. توضح هذه الدراسة أن المحفز الضوئي متعدد الطبقات ZnO:Al/ZnS/NiO المركب يمكنه تحليل الملوثات العضوية بكفاءة.