Başlangıç oksitlerinin tane boyutunun Zn2SnO4 sentezi ve sinterlenmesi üzerine etkisinin belirlenmesi

Yıl 2024, , 2423 - 2434, 20.05.2024

Sadiye Erden , Emel Ozel , Ender Suvacı

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1280657

Öz

Günümüzde metal oksit esaslı yarı iletken malzemeler, sağladığı üstün fiziksel ve performans özelikleri sebebiyle optoelektronik aygıtlar, bilgi depolama cihazları, yüksek çözünürlüklü ekran teknolojileri, yüksek performanslı gaz sensörleri ve güneş paneli uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Yarı iletken endüstrisinde sahip olduğu üstün özellikler nedeniyle ve sürdürülebilir olmasından dolayı çinko stanat (Zn2SnO4, ZTO) malzemesi son zamanlarda dikkatleri üzerine çekmektedir. Bu malzemenin sentezlenmesi, özelliklerinin geliştirilmesi ve ince film özelliklerinin belirlenmesine yönelik araştırmalar sürdürülmektedir. Bu çalışmada, literatürde ilk kez hammadde tane boyutunun ZTO'nun faz oluşumu ve sinterleme davranışı üzerine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Katı hal sentez yöntemiyle, farklı tane boyut aralığına sahip ZnO ve SnO2 hammaddelerinden 4 kompozisyon tasarlanarak ZTO tozları sentezlenmiştir. Başlangıç hammaddeleri stokiyometrik oranda karıştırılarak bilyalı değirmende homojenize edildikten sonra tek eksenli pres ile pelet haline getirilmiştir. Sentez öncesi peletlerin boyutları ölçülmüş ve 900-1200°C'de 2-4 saat sentezlenmiştir. Sinterlenen peletlerin boyutları tekrar ölçüldükten sonra ZTO spinel dönüşüm oranları XRD analizi ile belirlenmiştir. Bu çalışmada, en yüksek spinel dönüşüm oranı, her iki başlangıç tozunun da ince taneli olduğu bileşimde elde edilmiştir. Ayrıca, spinel oluşumu için ZnO partikül boyutunun kritik olmadığı, buna karşın SnO2 partikül boyutunun önemli bir etkiye sahip olduğu ortaya çıkartılmıştır. Tüm bileşimlerde, 1200°C'de 2 saat sonra spinel dönüşümü tamamlanmıştır. Spinel dönüşümüne bağlı boyutsal değişim incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Çinko stanat (Zn2SnO4), katı hal sentezi, partikül boyutu etkisi.

Destekleyen Kurum

Anadolu Üniversitesi

Proje Numarası

1606F554

Teşekkür

Yardımları için Hakan ATMAN'a teşekkür ederiz.

Kaynakça

• 1. Baruah S., Dutta J., Zinc stannate nanostructures: hydrothermal synthesis. Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 013004, 2011.
• 2. Nikolic N., Marinkoviç Z., Sreckovic T., The influence of grinding conditions on the mechanochemical synthesis of zinc stannate, Journal of Materials Science 39, 5239-5242, 2004.
• 3. Ivetic T. B., Ding Y., Cvetinov M., Petrovic J., Klisuric O. R., Lukic-Petrovic S. R., Er3+/Yb3+ activated up-conversion luminescence of zinc-tin-oxide-based powders, Ceramics International, 47, 17778-17783, 2021.
• 4. Lin H.F., Liao S.C., Hung S.W., Hu C.T., Thermal plasma synthesis and optical properties of Zn2SnO4 nanopowders, Materials Chemistry and Physics, 117 (1), 9-13, 2009.
• 5. Han G., Kang M., Jeong Y., Lee S., Cho I., Thermal Evaporation Synthesis of Vertically Aligned Zn2SnO4/ZnO Radial Heterostructured Nanowires Array, Nanomaterials, 11, 1500, 2021.
• 6. Nikolic N., Sreckovic T., Ristic M. M., The influence of mechanical activation on zinc stannate spinel formation, J. Eur. Ceram. Soc. 21 (10-11), 2071-2074, 2001.
• 7. Mihaiu S., Atkinson I., Mocioiu O., Toader A., Tenea E., Zaharescu M, Phase formation mechanism in the ZnO-SnO2 binary system, Revue Roumaine De Chimie, 56 (5), 465-472, 2011.
• 8. Mihaiu S., Toader A., Atkinson I., Mocioiu O.C., Hornoiu C., Teodorescu V.S., Zaharescu M., Advanced ceramics in the SnO2-ZnO binary system, Ceram. Int., Part B, 41 (3), 4936-4945, 2015.
• 9. Ivetic T.B., Fincur N.L., Đacanin Lj. R., Abramovic B.F., Lukic-Petrovic S.R., Ternary and coupled binary zinc tin oxide nanopowders: Synthesis, characterization, and potential application in photocatalytic processes, Materials Research Bulletin, 62, 114-121, 2015.
• 10. Dou J., Li X., Li Y., Chen Y., Wei M., Fabrication of Zn2SnO4 microspheres with controllable shell numbers for highly efficient dye-sensitized solar cells, Solar Energy, 181, 424-429, 2019.
• 11. Masjedi-Arani M., Salavati-Niasari M., Simple size-controlled fabrication of Zn2SnO4 nanostructures and study of their behavior in dye sensitized solar cells, International Journal of Hydrogen Energy, 42 (2), 858-866, 2017.
• 12. Stambolova I., Toneva A., Blaskov V., Radev D., Tsvetanova Y., Vassilev S., Peshev P., Preparation of nanosized spinel stannate, Zn2SnO4, from a hydroxide precursor, Journal of Alloys and Compounds 391, L1-L4, 2005.
• 13. Fu J., Sun L., Hu X., Du H., Li G., Kuang Y., Li M., Guo D., Preparation and fluorescence properties of Zn2SnO4:Eu3+ orange emitting afterglow phosphor, Ceramics International, 46 (12), 20277-20283, 2020.
• 14. Jiang Y.Q, Chen X.X, Sun R., Xiong Z., Zheng L.S., Hydrothermal syntheses and gas sensing properties of cubic and quasi-cubic Zn2SnO4, Materials Chemistry and Physics 129, 53-61, 2011.
• 15. Annamalai A., Eo Y. D., Im C., Lee M. J., Surface properties and dye loading behavior of Zn2SnO4 nanoparticles hydrothermally synthesized using different mineralizers, Mater. Charact., 62 (10), 1007-1015, 2011.
• 16. Tuncolu I.G., Aciksari C., Suvaci E., Ozel E., Rembeza S.I., Rembeza E.S., Plotnikova E.Y., Kosheleva N. N., Svistova T. V., Synthesis of Zn2SnO4 powders via hydrothermal method for ceramic targets, J. Eur. Ceram. Soc., 35 (14), 3885-3892, 2015.
• 17. Li X., Zhang N., Liu C., Adimi S., Zhou J., Liu D., Ruan S., Enhanced gas sensing properties for formaldehyde based on ZnO/ Zn2SnO4 composites from one-step hydrothermal synthesis, Journal of Alloys and Compounds, 850, 156606, 2021.
• 18. Adair J.H., Suvaci E., Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Second edition), Submicron Electroceramic Powders by Hydrothermal Synthesis, Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 8933–8937, 2001.
• 19. Vien L. T. T., Tu N., Tran M. T., Du N. V., Nguyen D. H., Viet D. X., Quang N. V., Trung D. Q., Huy P. T., A new far-red emission from Zn2SnO4 powder synthesized by modified solid state reaction method, Optical Materials, 100, 109670, 2020.
• 20. Silvestri S., Oliveira J. F., Foletto E. L., Degradation of methylene blue using Zn2SnO4 catalysts prepared with pore-forming agents, Meterials Research Bulletin, 117, 56-62, 2019.
• 21. Xu T. T., Zhang X. F., Deng Z. P., Hou L. H., Gao S., Synthesis of Zn2SnO4 octahedron with enhanced H2S gas-sensing performance, Polyhedron, 151, 510-514, 2018.
• 22. Yan Y., Liu J., Liu Q., Yu J., Chen R., Zhang H., Song D., Yang P., Zhang M., Wang J., Ag-modified hexagonal nanoflakes-textured hollow octahedron Zn2SnO4 with enhanced sensing properties for triethylamine, Journal of Alloys and Compounds, 823, 153724, 2020.
• 23. Hashemi T., Al-Allak H. M., Illingsworth J., Brinkman A. W., Woods J., Sintering behaviour of zinc stannate, Journal of Materials Science Letters, 9, 776-778, 1990.
• 24. Aciksari C., Tuncolu İ. G., Suvacı E., Özel E., Kaya P., Rembeza S., Rembeza E., Plotnikova E., Kosheleva N., The role of cation concentration on particle formation mechanism during hydrothermal synthesis of nanosized tin oxide (SnO2), Journal of The Australian Ceramic Society, 52 (1), 60 – 71, 2016.
• 25. Mo X. K., Liu Y. F., Li Y. J., Effect of additives on particle characteristics of barium titanate nanopowder by hydrothermal synthesis, Materials Research Innovations, 12 (1), 35-39, 2008.
• 26. Domanski D., Urretavizcaya G., Castro F. J., Gennari F. C., Mechanochemical Synthesis of Magnesium Aluminate Spinel Powder at Room Temperature, J. Am. Ceram. Soc., 87 (11), 2020–2024, 2004.
• 27. Armijo J. S., The Kinetics and Mechanism of Solid-State Spinel Formation-A Review and Critique, Oxidation of Metals, 1 (2), 171-198, 1969.
• 28. Uylas O., Timuçin M., Suvacı E., Bilgiç M., Özdemir B., Uysal O., Cengiz U., Kurukavak Ö., Erdoğan H., Yalçınkaya Y, A Study on Spinel Formation and Sintering Behavior of Al2O3-MgO System for Induction Furnace Linings, TMMOB Metalurji ve Malzeme Mühendisleri Odası, 18. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi, 2016.