Особливості золь-гель синтезу напівпровідникових азотвмісних плівок TiO₂, модифікованих іонами металів (Zn²⁺, Zr⁴⁺, Pt²⁺)

Abstract

Аналіз складу та структури поверхні методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) азотовмісних М/TiO₂ плівок, синтезованих золь-гель методом, свідчить про те, що модифікування іонами металів сприяє формуванню спільних зв'язків між атомами елементів. Залежно від природи металу, а саме його здатності формувати комплекси із сечовиною в заданих умовах синтезу, змінюється механізм термолізу сечовини, що зумовлює зміну складу поверхні матеріалу. Згідно з результатами РФЕС, на поверхні зразків, модифікованих іонами Zn²⁺ або Zr⁴⁺, атоми нітрогену знаходяться в оточенні атомів неметалів. Bнаслідок протонування молекули сечовини утворення комплексів з атомами Ті, Zn або Zr не відбувається, що приводить до її термолізу з формуванням O, N-вмісних продуктів реакції. У разі використання в синтезі іонів Pt²⁺ спостерігається як впровадження заміщуючого нітрогену в ґратку ТіО₂, так і формування N-вмісних фрагментів. Здатність іонів Pt взаємодіяти з молекулою сечовини через аміногрупу змінює механізм реакції, а саме: перетворення сечовини в комплексі з Pt відбувається при вищих температурах, як і кристалізація ТіО₂, що виступає в ролі каталізатора в процесах перетворення проміжних продуктів термолізу сечовини та забезпечує формування спільних зв'язів між атомами N та Ті.According to the XPS investigation of titania films co-modified by nitro gen and metal ions obtained via sol-gel method, the formation of common bonds between elements occurs due to the presence of metal ions. The mechanism of urea thermolysis is changed as a result of the ability of metal ions to form the complex compounds with urea molecules under the reported synthesis conditions that, in turn, depends on the nature of metal ions, leading to the different chemical compositions of materials’ surface. The XPS data show that nitrogen atoms are surrounded by nonmetal ones on the surface of the films modi fied by Zn²⁺ or Zr⁴⁺ ions. It is suggested that no formation of the complexes between Ті, Zn, or Zr atoms with urea occurs due to its protonation through an oxygen atom leading to the formation of O,N-containing reaction products. In the case of Pt²⁺ doping, the substitutional nitrogen incorporation in the titania lattice, as well as the formation of N-containing fragments, have been detected. The chemical nature of Pt ions allows them to interact with urea molecules through an N atom of the amino group. As a result, the transformation of urea molecules in the complexes occurs at higher temperatures concurrently with the titania crystallization that is recognized as a catalyst for the intermediates of the urea decomposition leading to the formation of common bonds between N and Ti atoms.