TEM Studies of ZnS Nanoparticles Obtained by Wet Chemical Reaction

Abstract

ZnS is a useful II-VI compound for optical devices. Due to its strong fluorescence and high resistance to electric fields, it is a material with interesting applications for solar cells, IR windows, lasers and sensors. ZnS has a low excitonic Bohr radius (2.5 nm) so their nanoparticles are appropriate to produce small bio-molecular probes for fluorescence and laser scanning microscopy. Despite progress in the synthesis of the nanocrystalline ZnS many unresolved problems still remain. The origin of the visible luminescence, besides the band gap emission observed in many nanoparticles is still uncertain. In this work, ZnS nanocrystals were obtained by a wet chemical reaction. The reagents used were ZnCl2.2H2O and thiourea respectively for Zn and S. The surfactant agent was 20% tetrametylammonium hydroxide (TMAH) and the solvent was ethylene glycol. The reaction aliquots were collected for various periods of time starting from the onset of the synthesis and redispersed in methanol for optical characterization. The samples were studied by transmission electron microscopy (TEM). The X-ray diffraction (XRD) shows that the crystal has a zinc blend structure and reveals the nanoscale crystals size. TEM micrographs show the presence of large particles of Zn(OH)2 (250 nm) and nanometric particles of ZnS (around 15 nm). The spatial distribution of ZnS particles indicates that spinodal decomposition takes place. The solution therefore separates spontaneously into two phases, starting with small fluctuations and proceeding without a nucleation barrier.

El ZnS es un compuesto II-VI ampliamente utilizado en dispositivos optoelectrónicos. Por sus propiedades fluorescentes y resistencia eléctrica es un material que puede ser empleado en celdas solares, ventanas de IR, lasers y sensores. El ZnS posee un radio de Bohr muy bajo (2.5 nm). Por lo que sus nanopartículas son apropiadas para producir pequeñas sondas para microscopía de barrido láser y fluorescente. A pesar de los avances alcanzados en la síntesis de ZnS nanométrico quedan aún problemas por resolver. En este trabajo el ZnS nanocristalino se obtiene por precipitación desde una solución. Se uso ZnCl2.2H2O y tiourea como precursores de Zn y S respectivamente. Como agente surfactante se usó solución 20 % de hidróxido de tetrametil amonio (TMAH) y como solvente etilenglicol. Se tomaron alícuotas a distintos tiempos de reacción y se dispersaron en metanol para su caracterización óptica. Las muestras se estudiaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). La difracción de rayos x (XRD) muestra que los cristales tienen una estructura blenda de zinc y tamaño nanométrico (aproximadamente 15 nm). Mediante TEM se determinó la presencia de partículas de mayor tamaño (250 nm) de Zn(OH)2 . En una instancia inicial del proceso se detectó un crecimiento espinodal en el sistema, caracterizado por la ausencia de barrera de nucleación en la generación de los centros cristalinos.