Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 445–455
Near-IR photoluminescence and structural properties of TiO2 powders with nanocrystalline anatase/brookite matrix
Ekaterina S. Ulyanova – Institute of Solid State Chemistry of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia; tsivileva.yekaterina@yandex.ru
Elizaveta V. Shalaeva – Institute of Solid State Chemistry of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia; shalaeva@ihim.uran.ru
Yuriy S. Ponosov – M. N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia; ponosov@imp.uran.ru
Olga A. Lipina – Institute of Solid State Chemistry of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia; LipinaOlgaA@yandex.ru
Alexey A. Markov – Institute of Solid State Chemistry of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia; aamarkov1@yandex.ru
Corresponding author: Ekaterina S. Ulyanova, tsivileva.yekaterina@yandex.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2022-13-4-445-455
PACS 81.07.-b, 78.30.j, 78.55.-m, 73.20.Hb
ABSTRACT The properties are studied for near-IR photoluminescence (PL) observed at 865 – 870 nm for precipitated TiO2 powders having nanocrystalline anatase/brookite structure: the dependence of NIR PL on annealing in oxygen, on content and crystallinity quality of brookite, and on excitation energy (Eex). NIR PL in bi-phase powders was found to demonstrate a behavior characteristic of NIR PL in brookite. NIR emission intensity grows with increasing brookite content and at annealing in oxygen, when oxygen vacancies content decreases and crystallinity quality of brookite improves. The results indicate that in the bi-phase powders, brookite contains deep-level defect traps which are regarded responsible for NIR-PL in brookite and are favorable for photocatalytic reactions. NIR emission is observed for the band (Eex ~ Eb) and below band-gap green (Eex < Eb) excitation. A mechanism underlying NIR-PL in brookite with green excitation is suggested to be similar to that for the red PL known for anatase at below band-gap excitation.
KEYWORDS anatase/brookite TiO2, nano-powders, NIR-photoluminescence, structural properties, defect states
ACKNOWLEDGEMENTS The authors are grateful to Dr. I. V. Baklanova for measurements of IR-spectra. The research was carried out in accordance with the state assignment for ISSC UB RAS and financial support from ISSC UB RAS (theme AAAA-A19-119031890025-9). Yu. S.P. acknowledges financial support from Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme “Electron” No. 122021000039-4).
FOR CITATION Ulyanova E.S., Shalaeva E.V., Ponosov Yu.S., Lipina O.A., Markov A.A. Near-IR photoluminescence and structural properties of TiO2 powders with nanocrystalline anatase/brookite matrix. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 445–455.
[In Russian] Э.С. Ульянова, Е.В.Шалаева, Ю.С. Поносов, О.А. Липина, А.А. Марков
Ближняя ИК-фотолюминесценция и структурные свойства TiO2 порошков с нанокристаллической матрицей анатаза/брукита
АННОТАЦИЯ Исследованы свойства ближней ИК-фотолюминесценции (ФЛ), наблюдаемой на 865 – 870 нм для осажденных порошков TiO2, имеющих нанокристаллическую структуру анатаз/брукит: зависимость БИК-ФЛ от отжига в кислороде, от содержания и качества кристалличности брукита и энергии возбуждения (Eex). Было обнаружено, что БИК ФЛ в двухфазных порошках демонстрирует поведение, характерное для БИК ФЛ в бруките. Интенсивность БИК-излучения возрастает с увеличением содержания брукита при отжиге в кислороде, когда уменьшается содержание кислородных вакансий и улучшается качество кристалличности брукита. Результаты показывают, что в двухфазных порошках брукит содержит ловушки дефектов на глубоких уровнях, которые считаются ответственными за БИК-ФЛ в бруките и благоприятны для фотокаталитических реакций. БИК-излучение наблюдается для полосы (Eex ~ Eb) и ниже ширины запрещенной зоны зеленого цвета (Eex < Eb ) возбуждения. Предполагается, что механизм, лежащий в основе БИК-ФЛ в бруките с зеленым возбуждением, подобен механизму для красной ФЛ, известной для анатаза при возбуждении ниже ширины запрещенной зоны.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА анатаз/брукит TiO2, нанопорошки, БИК-фотолюминесценция, структурные свойства, дефектные состояния.
