Propiedades de microestructura y reflectancia difusa mejoradas del revestimiento de nanocompuesto de dióxido de titanio híbrido

Las imágenes SEM de recubrimientos microestructurados: a revestimiento de nanocristales, b recubrimiento de mezcla, c revestimiento bicapa y d revestimiento de nanoesferas. El espesor de los recubrimientos está limitado a ~ 14 μm

La reflectancia difusa de las cuatro muestras se midió usando un espectrofotómetro. El rango de longitud de onda de medición fue de 400 a 800 nm, que cubre la región visible relevante para el funcionamiento de la pantalla y las células solares. Los resultados obtenidos se presentan en la Fig. 2a. En la figura 2a, puede verse que el revestimiento de mezcla construido a partir de la mezcla de nanocristales elipsoidales y conjuntos esferoidales exhibe una mayor reflectancia en comparación con el revestimiento de nanocristales puro. Pero, aunque la relación de nanocristales a esferas de polímero es aproximadamente la misma en estos revestimientos, la reflectancia difusa del revestimiento de bicapa es aún mayor que la del revestimiento de mezcla. Sugiere que las propiedades de dispersión de los recubrimientos hechos por conjuntos esferoidales pueden ser mejores que las de los nanocristales. De hecho, en comparación con los otros tres recubrimientos, el recubrimiento de nanoesferas posee un mejor efecto de dispersión porque el recubrimiento está construido únicamente por conjuntos esferoidales.

un , b Espectros de reflectancia difusa de las cuatro muestras con idéntico espesor (~ 14 μm) y los recubrimientos de nanoesferas optimizados con diferentes espesores, respectivamente

Ahora, está claro que estos simples ensamblajes esferoidales, que están compuestos de TiO ₂ elipsoidal nanocristales, pueden considerarse como partículas de dispersión superiores para mejorar la reflectancia difusa. Pero como se muestra en la Fig. 2a, la reflectancia promedio para el recubrimiento de la nanoesfera es de aproximadamente el 55%, pero para ciertos rangos de longitud de onda (por ejemplo,> 700 nm), la reflectancia es inferior al 50%. Además, vale la pena señalar aquí que el valor de reflectancia cae en picado en la región visible, lo que indica el débil efecto de dispersión de los fotones de baja energía inducidos por el tamaño pequeño de las celdas unitarias.

Para optimizar aún más la reflectancia difusa del revestimiento de ensamblaje esferoidal puro, se aumentaron los tamaños de los nanocristales y ensamblajes esferoidales ajustando la dosis de precursor. Los espectros de reflectancia difusa medidos correspondientes a los recubrimientos de nanoesferas optimizados con un tamaño de celda unitario agrandado y para los diferentes espesores (8, 10 y 12 µm) se muestran en la Fig. 2b. Para un espesor de 8 μm de recubrimiento de nanoesferas, la reflectancia promedio aumenta por encima del 40% y permanece alta en todo el rango de longitud de onda. Pero como se observa en la Fig. 2b, la reflectancia del recubrimiento de la nanoesfera depende en gran medida del grosor o, en otras palabras, de la fracción de empaquetamiento de la celda unitaria. Cuando el espesor del recubrimiento es delgado, la fracción de empaquetamiento de nanocristales elipsoidales en un ensamblaje esferoidal disminuye. Incluso si se ha optimizado el tamaño del componente esférico, las estructuras esferoidales híbridas de revestimientos delgados no podrían proteger adecuadamente las luces de dispersión. Y una gran parte de la luz incidente es transmitida directamente por el revestimiento. Por otro lado, tiende a haber más lóbulos en el diagrama de dispersión cerca de las direcciones hacia las que la partícula presenta una gran anchura que cerca de las direcciones en las que la anchura proyectada es menor [25]. Tenga en cuenta que el TiO ₂ elipsoidal Los nanocristales orientados con sus ejes de simetría oblicuos al haz incidente se dispersan asimétricamente alrededor de la dirección de avance en la Fig. 2b. Significa que la luz incidente se dispersará aleatoriamente por conjuntos esferoidales compuestos de TiO ₂ elipsoidal multi-orientado nanocristales. Por lo tanto, es posible obtener una reflectancia difusa más alta a partir del recubrimiento de nanoesferas más grueso, debido a que la dispersión hacia adelante puede ser suprimida por el TiO ₂ elipsoidal multiorientado. nanocristales.

Los detalles estructurales del TiO híbrido ₂ Recubrimientos de nanoesferas

La información sobre las propiedades estructurales del recubrimiento de nanoesferas utilizado en la Fig. 2b se puede ver claramente en la Fig. 3. Como se muestra en la Fig. 3a, el diámetro del conjunto esferoidal varía de 100 a 600 nm, con un tamaño medio de 330 nm. En general, para nanoesferas suficientemente grandes (radio de esfera de igual volumen superior a aproximadamente 300 nm en la banda visible), cuanto más grande es la esfera, más direcciones de dispersión hacia adelante se ponderan en comparación con las direcciones de retrodispersión [25]. Pero como se puede ver en la Fig. 3b, la imagen SEM ampliada muestra que las nanoesferas se ensamblan a partir de nanocristales elipsoidales de tamaño nanométrico multiorientado de varios nanómetros de diámetro y varias decenas de nanómetros de longitud. En comparación con las esferas bien definidas con diámetro uniforme, los conjuntos esferoidales podrían aumentar la dispersión hacia atrás de los rayos de luz incidentes y conducir a una mejor reflexión difusa cuando se utilizan como reflector difuso. Además, como se muestra en la Fig. 3c, los detalles estructurales de estos conjuntos esferoidales se pueden obtener mediante microscopía electrónica de transmisión (Tecnai F30). La imagen de TEM correspondiente muestra que estos conjuntos esferoidales poseen estructuras mesoporosas (Fig. 3c). Además, los nanocristales elipsoidales en la superficie de la esfera exhiben puntas afiladas y una configuración en forma de huso (Fig. 3d). Como se sabe, las irregularidades de la geometría en las superficies pueden generar respuestas de dispersión de luz considerables [8, 9, 21]. De hecho, usando TiO ₂ similar nanohusillos como la capa de dispersión en las células solares, se ha observado experimentalmente una dispersión de luz eficiente [26]. Por otro lado, la investigación sobre variaciones en el espesor de capa se puede aplicar para señalar algunas diferencias esenciales entre los procesos de superficie y a granel. Es evidente que la dispersión masiva aumenta con el espesor de la capa de recubrimiento de nanoesferas como se muestra en la Fig. 2b, ya que depende de la integral en el volumen del campo electromagnético estacionario de orden cero [10]. Por lo tanto, es posible que tanto la dispersión en masa como en la superficie se beneficien de este recubrimiento de nanoesferas. Además, en la imagen TEM de alta resolución del área de la punta de un nanohusillo individual (Fig. 3e), las franjas de celosía bien definidas con un espaciado entre planos de 0.35 nm indican que los nanohusillos primarios están altamente cristalizados. De manera similar, el patrón XRD del recubrimiento de la nanoesfera sugiere que los productos exhiben una estructura bien cristalizada (difractómetro Rigaku D / max-2500 con radiación Cu Kα, λ =0.1542 nm, 40 kV, 100 mA), en la que todos los picos de difracción pueden ser indexado a anatasa TiO ₂ (JCPDS núm. 21-1271). Es obvio que los picos de difracción pertenecientes a (103), (004) y (112) están integrados juntos, lo que indica el ensanchamiento de los picos de difracción debido al diferente tamaño de partícula.

El a , b SEM, c , d TEM y e Imágenes TEM de alta resolución del revestimiento de la nanoesfera. El d , e las imágenes TEM con zoom que dan los detalles del área correspondiente a los cuadros rojos en ( c , d ), respectivamente. El patrón XRD del recubrimiento de la nanoesfera ( f )

El mecanismo de dispersión subyacente del TiO híbrido ₂ Recubrimientos de nanoesferas

Para explorar la naturaleza de estas estructuras, se realizaron simulaciones FDTD utilizando modelos con tamaño geométrico idéntico a los de las muestras medidas en experimentos con software comercial (East FDTD, tecnología Dongjun, Shanghai, China). El modelo correspondiente del recubrimiento de nanoesferas utilizado en las simulaciones FDTD se muestra en la Fig. 4a. La longitud L y el radio R del nanocristal elipsoidal se seleccionan como 60 nm y 30 nm, respectivamente. Y los conjuntos (como se muestra en la Fig. 3) se cultivan a través de una estructura de nanocristales muy compacta. Para simplificar la consideración, los diferentes espesores del recubrimiento se reemplazan cambiando el número de capas de nanoesferas. El perfil del campo eléctrico para una longitud de onda de 600 nm se muestra en la Fig. 4b, donde la luz a través del revestimiento se dispersa uniformemente por el revestimiento y resuena dentro de los conjuntos. Por lo tanto, podemos concluir que, cuando la luz incide desde el lado superior del revestimiento de la nanoesfera, queda atrapada por el ensamblaje y diverge gradualmente hacia atrás debido a los nanocristales multiorientados y al efecto de dispersión. De hecho, el comportamiento de dispersión hacia atrás de la luz en el recubrimiento de la nanoesfera depende de la cantidad de conjuntos esféricos. Como puede verse en la Fig. 4c, la reflectancia del recubrimiento de nanoesferas de tres capas se ha mejorado significativamente en la banda de longitud de onda visible correspondiente a la del recubrimiento de una o dos capas.

un El esquema de los conjuntos de nanoesferas:de izquierda a derecha, la perspectiva, la vista frontal, la celda unitaria de los conjuntos y el revestimiento de nanoesferas de tres capas utilizado en la simulación FDTD, respectivamente. b Perfil de campo eléctrico en recubrimiento de nanoesferas de tres capas. c Reflectancia difusa calculada del revestimiento de la nanoesfera

Las propiedades de reflectancia especular dependiente de la polarización del TiO híbrido ₂ Recubrimientos de nanoesferas con diferentes espesores

Como es bien sabido, los espectros de reflexión de casi todos los tipos de cristales de dióxido de titanio se encuentran en la región ultravioleta por debajo de 400 nm [27, 28]. Por lo tanto, el dióxido de titanio aparece con frecuencia en muchos cosméticos de protección solar con el objetivo de reducir el daño de los rayos ultravioleta en la piel humana. Sin embargo, en la región de la luz visible, su eficiencia disminuye a medida que aumenta la transmitancia. Es de gran importancia cómo mejorar la eficiencia de reflexión del dióxido de titanio en la región de la luz visible.

Además, analizamos la reflectancia especular dependiente de la polarización de los recubrimientos de la nanoesfera utilizando un espectrofotómetro (Agilent Carry 5000). Los resultados obtenidos para los recubrimientos de nanoesferas optimizados en dos espesores diferentes (8 y 12 μm) se muestran en la Fig. 5. La reflectividad especular de las dos muestras en la región espectral de 400-700 nm se mantiene en un nivel bajo (menos de 2%), lo que prueba la discusión anterior. Los resultados muestran que el revestimiento de la nanoesfera tiene una gran capacidad para suprimir la reflexión de ondas electromagnéticas espectrales en la región espectral de 400 a 700 nm para incidencias tanto normales como de gran angular. Sin embargo, la reflectancia especular de las dos muestras en el rango de 700 a 800 nm tiene una tendencia ascendente significativa para diferentes ángulos y polarizaciones. Este fenómeno anómalo probablemente se deba al efecto de la nanotopografía del dióxido de titanio. Previamente, se ha demostrado que los recubrimientos reflectantes compuestos por dióxido de titanio con diferentes topografías estructurales tienen una gran influencia en la banda de reflexión. Por ejemplo, la dispersión de la luz del dióxido de titanio alrededor de 400 nm y 700 nm puede mejorarse adoptando diferentes estructuras, nanobarras, nanocables y nanoesferas [29]. Aquí, nuestros resultados también prueban este punto.

La reflectancia especular de los recubrimientos de nanoesferas con diferentes espesores para s- ( a ) y p- ( b ) polarizaciones, respectivamente

Además, el ancho de banda y la amplitud de la reducción de la reflexión especular son insensibles a la polarización de la luz incidente y al espesor del revestimiento. Como se indicó anteriormente, estas propiedades especiales se pueden atribuir al hecho de que el ensamblaje de la esfera es una colección de muchas partículas orientadas al azar, que pueden ser anisotrópicas. Sin embargo, los resultados también muestran que la polarización adecuada puede tener un efecto en la eficiencia de reflexión del recubrimiento, lo que brinda más posibilidades para diseños futuros.

Conclusiones

En conclusión, presentamos una nueva técnica para mejorar la reflectancia difusa en un TiO ₂ híbrido Recubrimiento microestructurado. Dependiendo de la forma del TiO ₂ nanopartículas en el recubrimiento, la luz incidente se refleja de manera uniforme debido a los nanocristales multiorientados y al efecto de dispersión. Estos recubrimientos microestructurados híbridos se cultivan mediante un método solvotermal de bajo costo alterando la dosificación del precursor del complejo de peroxotitanio. Al aumentar el tamaño del TiO ₂ elipsoidal nanocristales, optimizamos nuestra estructura para lograr una reflectancia máxima de aproximadamente el 80% en el rango de longitud de onda de 550 nm a 800 nm. Con la ayuda de la caracterización fina de estructura y morfología, hemos analizado el comportamiento del espectro de reflectividad medido con el cambio de espesor y verificado el resultado con simulación FDTD. Finalmente, en estos recubrimientos de nanoesferas se puede encontrar una reducción de reflexión especular insensible a la polarización de gran angular. Y la reflectancia especular máxima en cualquier longitud de onda es inferior al 1,5% para todo el rango de longitudes de onda de banda ancha (400-800 nm). Nuestros recubrimientos híbridos microestructurados propuestos con su dispersión de luz única y capacidad sintonizable serán útiles para reflectores difusos altamente eficientes o para aplicaciones en varios campos avanzados de fotónica relacionados con extracciones y difusores de luz. Existe un alcance adicional de investigaciones sobre el efecto del diámetro, la orientación y las distribuciones del TiO ₂ elipsoidal nanocristales en los conjuntos esféricos del mecanismo de manipulación de la luz.

Abreviaturas

FDTD:

Dominio de tiempo de diferencia finita

Células madre mesenquimales marcadas con nanopartículas de azul de Prusia:evaluación de la viabilidad celular, proliferación, migración, diferenciación, citoesqueleto y expresión de proteínas … Mecanismo de falla de conmutación en una celda de metalización programable basada en peróxido de zinc