alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2021.04-06.126-138alternative-2074Research ArticleXVII. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВА 38. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВАМорфологические, структурные и оптические свойства микропорошков диоксида титанаMorphological, structural and optical properties of titanium dioxide micropowdersРахматуллаевИ. А.RakhmatullaevI. A.

Рахматуллаев Илёс Арзимуродович, доктор физико-математических наук

Ташкент

Rakhmatullaev Ilyos Arzimurodovich, Doctor of Sciences in Physics and Mathematics

Tashkent

ТурсункуловО. М.TursunkulovO. M.

Турсункулов Ойбек Муйдинович, кандидат физико-математических наук

Ташкент

Tursunkulov Oybek Myudinovich, Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Physics and Mathematics

Tashkent

ГусевА. Л.GusevA. L.

Гусев Александр Леонидович, учредитель и главный редактор Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология»

Саров

Gusev Alexander Leonidovich, founder and editor-in-chief of the International scientific journal Alternative Energy and Ecology

Sarov

gusev@hydrogen.ruТукфатуллинО. Ф.TukfatullinO. F.

Тукфатуллин Оскар Фаритович, доктор философии по техническим наукам

Ташкент

Tukfatullin Oskar Faritovich, Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Technical Sciences

Tashkent

КурбоновА. К.KurbonovA. K.

Курбонов Абдулла Кенжаевич, доктор философии по физико-математическим наукам

Карши

Kurbonov Abdulla Kenjaevich, Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Physics and Mathematics

Karshi

РахматуллаевМ. Р.RakhmatullaevM. R.

Рахматуллаев Мубин Рахманович, кандидат физико-математических наук

Ташкент

Rakhmatullaev Mubin Rakhmanovich, Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Physics and Mathematics

Tashkent

КодировМ. К.KodirovM. K.

Кодиров Мумин Кодирович, доктор физико-математических наук

Ташкент

Kodirov Mumin Kodirovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences

Tashkent

ДавроновМ. Х.DavronovM. Kh.

Давронов Мамуржон Хамроевич

Карши

Davronov Mamurjon Khamroyevich

Karshi

ЭшкуловА. А.EshkulovA. A.

Эшкулов Абдугани Абайевич, кандидат физико-математических наук

Ташкент

Eshkulov Abdugani Abayevich, Doctor of Philosophy (Ph.D.) in Physics and Mathematics

Tashkent

Центр передовых технологий при Министерстве инновационного развития Республики УзбекистанУзбекистанCenter for Advanced Technologies under the Ministry of Innovative Development of the Republic of UzbekistanUzbekistanНаучно-Технический Центр «ТАТА»РоссияGroup of Companies "Alternative Energy and Ecology" and "Hydrogen"Russian FederationКаршинский государственный университетУзбекистанKarshi State UniversityUzbekistanНациональный университет Узбекистана имени Мирзо УлугбекаУзбекистанNational University of Uzbekistan named after Mirzo UlugbekUzbekistanТашкентский государственный технический университет имени Ислама КаримоваУзбекистанTashkent State Technical University named after Islam KarimovUzbekistan20213110202104-6126138Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20212021Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2074

Работа посвящена комплексному экспериментальному исследованию морфологии, структуры и оптических свойств микропорошков диоксида титана с использованием комплекта современного физического оборудования. Описана методика получения спектров фотолюминесценции (ФЛ) и комбинационного рассеяния (КР) для микропорошков диоксида титана в микрорезонаторных кюветах (фотонных ловушках). Изучались порошки, состоящие из плотноупакованных частиц как в виде частиц сферической формы заданных размеров (29-63 мкм). В фотонных ловушках осуществлен определенный режим, который связан с пленением возбуждающего излучения внутри данного устройства. Показано, что при комнатной температуре наблюдается интенсивная фотолюминесценция в микропорошках диоксида титана (2,91 эВ) при возбуждении второй оптической гармоникой (λвозб = 255,3 нм) лазера на парах меди. Установлено, что в микропорошках диоксида титана в фотонных ловушках возможно наблюдение явления «комбинационной опалесценции», приводящей к резкому (на 5–6 порядков) возрастанию интенсивности КР в ультрадисперсной среде. Обнаружено, что незначительное количество присутствующих примесей кремния и алюминия в составе микропорошков диоксида титана не влияет на формировании полосы фотолюминесценции в области 2,91 эВ. Разработанный метод регистрации спектров ФЛ и КР открывает широкие возможности для регистрации слабых сигналов вторичного излучения важных неорганических и органических веществ, а также для создания малогабаритных лазерных анализаторов химических соединений, необходимых для решения многих практических задач.

The work is devoted to a comprehensive experimental study of the morphology, structure and optical properties of titanium dioxide micropowders with several of modern analytical equipment. The method for obtaining photoluminescence (PL) and Raman scattering (RS) for titanium dioxide micropowders in microresonator cuvette (photon traps) was described. The powders consisting of close-packed particles in the shape of spherical particles of specified sizes (29-63 μm) were studied. In the photon traps, a certain mode is implemented, which is associated of trapping of the exciting radiation inside of device. It is shown that, at room temperature, intense photoluminescence in titanium dioxide micropowders (2.91 eV) was observed in excitation by the second optical harmonic (λexc = 255.3 nm) of a copper vapor laser. It has been established that in micropowders of titanium dioxide micropowders in photon traps, is possible to observe the phenomenon of "combination opalescence", which leads to the sharp (5–6 orders) increasing in the RS intensity in an ultradispersed medium. The high conversion efficiency of the exciting radiation into the RS signal is explained by the large value of the total path that the exciting radiation photon travels in the dispersed medium in the photon trap. It was found that an insignificant amount of silicon and aluminum impurities is present in titanium dioxide micropowders that not affect to formation of the photoluminescence band in the region of 2.91 eV. The developed method for recording PL and RS opens up wide possibilities for recording weak signals of secondary radiation that is important for inorganic and organic substances, as well as for creating small-sized laser analyzers of chemical compounds which is necessary for solving many practical problems.

диоксид титанафотолюминесценциякомбинационное рассеяниепорошоквторичное излучениефотонная ловушкаспектрдефектыпримесьлазерсканирующая электронная микроскопияэлементный анализtitanium dioxidephotoluminescenceRaman scatteringpowdersecondary radiationphoton trapspectrumdefectsimpuritylaserscanning electron microscopyelemental analysisReferencesЧапура О.М., Скоморохов А.А., Беляева Е.Н., Осипов А.Х., Ремаренко Н.С., Яс О.А. Исследование люминесцентных свойств TiO2:Sm3+, полученного золь-гель методом // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. — 2017. № 2. — С.30–34.Chapura O.M., Skomorokhov A.A., Belyaeva E.N., Osipov A.KH., Remarenko N.S., Yas O.A. Issledovanie lyuminestsentnykh svoistv TiO2:Sm3+, poluchennogo zol'-gel' metodom // Vestnik SeveroKavkazskogo federal'nogo universiteta. — 2017. — № 2. — S.30–34.Шульга Ю.М., Матюшенко Д.В., Голышев А.А., Шахрай Д.В., Молодец А.М., Кабачков Е.Н., Куркин Е.Н., Домашнев И.А. Исследование методом комбинационного рассеяния фазовых превращений наноструктурированного анатаза TiO 2 в результате ударного сжатия // Письма в ЖТФ. — 2010, — Т.36, вып. 18.— С.26–31.Shul'ga YU.M., Matyushenko D.V., Golyshev A.A., Shakhrai D.V., Molodets A.M., Kabachkov E.N., Kurkin E.N., Domashnev I.A. Issledovanie metodom kombinatsionnogo rasseyaniya fazovykh prevrashchenii nanostrukturirovannogo anataza TiO 2 v rezul'tate udarnogo szhatiya // Pis'ma v ZHTF. — 2010, — T.36, vyp. 18. — S.26–31.Юрьев С.А. Оптические свойства и радиационная стойкость порошка диоксида титана, модифицированных наночастицами оксидных соединений. Дисс. к-та техн. наук. — Томск: ТУСУР, 2015. 157 с.Yur'ev S.A. Opticheskie svoistva i radiatsionnaya stoikost' poroshka dioksida titana, modifitsirovannykh nanochastitsami oksidnykh soedinenii. Diss. k-ta tekhn. nauk. — Tomsk: TUSUR, 2015. 157 s.Гуров А.А., Карманов В.И., Порозова С.Е., Шоков В.О. Синтез и свойства нанопорошка диоксида титана для получения функциональных материалов // Вестник ПНИПУ. — 2014, — Т.16, №1.С.23–29.Gurov A.A., Karmanov V.I., Porozova S.E., Shokov V.O. Sintez i svoistva nanoporoshka dioksi-da titana dlya polucheniya funktsional'nykh materia-lov // Vestnik PNIPU. — 2014, — T.16, №1. — S.23–29.Asthana A., Shokuhfar T., Gao Q., Heiden P.A., Friedrich C., Yassar R.S. A Real Time Observation of Phase Transition of Anatase TiO 2 Nanotubes Into Rutile Nanoparticles by In-Situ Joule Heating Inside Transmission Electron Microscope // Advanced Science Letters. — 2010. — V.3. — P.1–6.Asthana A., Shokuhfar T., Gao Q., Heiden P.A., Friedrich C., Yassar R.S. A Real Time Observation of Phase Transition of Anatase TiO 2 Nanotubes Into Rutile Nanoparticles by In-Situ Joule Heating Inside Transmission Electron Microscope // Advanced Science Letters. — 2010. — V.3. — P.1–6.Kernazhitsky L., Shymanovska V., Gavrilko T., Naumov V., Fedorenko L., Kshnyakin V., Baran J. Room Temperature Photoluminescence of Anatase and Rutile TiO 2 Powders // Journal of Luminescence. 2014. — V.146. — P.199–204.Kernazhitsky L., Shymanovska V., Gavrilko T., Naumov V., Fedorenko L., Kshnyakin V., Baran J. Room Temperature Photoluminescence of Anatase and Rutile TiO 2 Powders // Journal of Luminescence. 2014. — V.146. — P.199–204.Tang H., Berger H., Schmid P.E., Levy F., Burni G. Photoluminescence in TiO 2 Anatase Single Crystals // Solid State Communications. — 1993. — V.87. P.847–850.Tang H., Berger H., Schmid P.E., Levy F., Burni G. Photoluminescence in TiO 2 Anatase Single Crystals // Solid State Communications. — 1993. — V.87. P.847–850.Haart L.G., Blasse G. The Observation of Exciton Emission from Rutile Single Crystals // Solid State Chemistry. — 1986. — V.61. — P. 135–137.Haart L.G., Blasse G. The Observation of Exciton Emission from Rutile Single Crystals // Solid State Chemistry. — 1986. — V.61. — P. 135–137.Serpone N., Lawless D., Khairutdinov R. Size Effects on the Photophysical Properties of Colloidal Anatase TiO 2 Particles: Size Quantization versus Direct Transitions in This Indirect Semiconductor? // Journal of Physical Chemistry. — 1995. — V.99. — P.16646-16654.Serpone N., Lawless D., Khairutdinov R. Size Effects on the Photophysical Properties of Colloidal Anatase TiO 2 Particles: Size Quantization versus Direct Transitions in This Indirect Semiconductor? // Journal of Physical Chemistry. — 1995. — V.99. — P.16646-16654.Saraf L.V., Patil S.I., Ogale S.B., Sainkar S.R., Kshirsager S.T. Synthesis of Nanophase TiO2 by Ion Beam Sputtering and Cold Condensation Technique // International Journal of Modern Physics B. — 1998. — V.12. — P.2635–2647.Saraf L.V., Patil S.I., Ogale S.B., Sainkar S.R., Kshirsager S.T. Synthesis of Nanophase TiO2 by Ion Beam Sputtering and Cold Condensation Technique // International Journal of Modern Physics B. — 1998. — V.12. — P.2635–2647.Bassi A.Li., Cattaneo D., Russo V., Bottani C.E. Raman spectroscopy characterization of titania nanoparticles produced by flame pyrolysis: The influence of size and stoichiometry // Journal of Applied Physics. — 2005. — V.98. — P.074305.Bassi A.Li., Cattaneo D., Russo V., Bottani C.E. Raman spectroscopy characterization of titania nanoparticles produced by flame pyrolysis: The influence of size and stoichiometry // Journal of Applied Phys-ics. — 2005. — V.98. — P.074305.Šćepanović M.J., Grujić-Brojčin M., DohčevićMitrović Z.D., Popović Z.V. Temperature dependence of the lowest frequency E g Raman mode in lasersynthesized anatase TiO 2 nanopowder // Journal of Applied Physics A. — 2007. — V.86. — P.365-371.Šćepanović M.J., Grujić-Brojčin M., DohčevićMitrović Z.D., Popović Z.V. Temperature dependence of the lowest frequency Eg Raman mode in lasersynthesized anatase TiO 2 nanopowder // Journal of Applied Physics A. — 2007. — V.86. — P.365-371.Swamy V., Kuznetsov A., Dubrovinsky L.S., Caruso R.A., Shchukin D.G., Muddle B.C. Finite-size and pressure effects on the Raman spectrum of nanocrystalline anatase TiO 2 // Physical Review B. — 2005. — V.71. — P. 184302.Swamy V., Kuznetsov A., Dubrovinsky L.S., Caruso R.A., Shchukin D.G., Muddle B.C. Finite-size and pressure effects on the Raman spectrum of nanocrystalline anatase TiO 2 // Physical Review B. — 2005. — V.71. — P. 184302.Nemanich R.J., Solin S.A., Martin R.M. Light scattering study of boron nitride microcrystals // Physical Review B. — 1981. — V.23. — P. 6348.Nemanich R.J., Solin S.A., Martin R.M. Light scattering study of boron nitride microcrystals // Physical Review B. — 1981. — V.23. — P. 6348.Tiong K.K., Amirtharaj P.M., Pollak F.H., Aspnes D.E. Effects of As + ion implantation on the Raman spectra of GaAs: ‘‘Spatial correlation’’ interpretation // Appl. Phys. Lett. — 1984. — V.44. — P.122.Tiong K.K., Amirtharaj P.M., Pollak F.H., Aspnes D.E. Effects of As + ion implantation on the Raman spectra of GaAs: ‘‘Spatial correlation’’ interpretation // Appl. Phys. Lett. — 1984. — V.44. — P.122.Wang Z., Saxena S.K. Raman spectroscopic s study on pressure-induced amorphization in nanocrystalline anatase (TIO2 ) // Solid State Commun. — 2001. — V.118. — P.75-78.Wang Z., Saxena S.K. Raman spectroscopic s study on pressure-induced amorphization in nanocrystalline anatase (TIO2 ) // Solid State Commun. — 2001. — V.118. — P.75-78.Hearne G. R., Zhao J., Dawe A.M., Pischedda V., Maaza M., Nieuwoudt M.K., Kibasomba P., Nemraoui O., Comins J.D., Witcomb M.J. Effect of grain size on structural transitions in anatase TiO2 : A Raman spectroscopy study at high pressure // Physical Review B. 2004. — V.70. — P. 134102.Hearne G. R., Zhao J., Dawe A.M., Pischedda V., Maaza M., Nieuwoudt M.K., Kibasomba P., Nemraoui O., Comins J.D., Witcomb M.J. Effect of grain size on structural transitions in anatase TiO2 : A Raman spectroscopy study at high pressure // Physical Review B. 2004. — V.70. — P. 134102.Рахматуллаев И.А. Вторичное излучение в конденсированных средах при импульснопериодическом лазерном возбуждении: Дисс. д-ра физ.-мат. наук. — Ташкент: СамГУ–ФИАН, 2008. 260 с.Rakhmatullaev I.A. Vtorichnoe izluchenie v kondensirovannykh sredakh pri impul'sno-periodicheskom lazernom vozbuzhdenii: Diss. d-ra fiz.mat. nauk. — Tashkent: SaMGU–FIAN, 2008. — 260 s.Гончаров А.П., Горелик В.С., Кравцов А.В. Комбинационное рассеяние света в конденсированных средах, помещенных в фотонные ловушки // Журнал технической физики. – 2007. – Т.77, №11. С.78-82.Goncharov A.P., Gorelik V.S., Kravtsov A.V. Kombinatsionnoe rasseyanie sveta v kondensirovannykh sredakh, pomeshchennykh v fotonnye lovushki // Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. – 2007. – T.77, №11. S.78-82.Курбонов А.К. Вторичное излучение в микро - и нанопорошках при импульсно-периодическом лазерном возбуждении: Дисс. к-ра физ.-мат. наук. Ташкент: НУУз - ФИАН, 2020. — 156 с.Kurbonov A.K. Vtorichnoe izluchenie v mikro- i nanoporoshkakh pri impul'sno-periodicheskom lazernom vozbuzhdenii: Diss. k-ra fiz.-mat. nauk. — Tashkent: NUUz - FIAN, 2020. — 156 s.Михайлов М.М., Владимиров В.М., Власов В.А. О размерном эффекте в радиационном материаловедении // Известия ТПУ. – 2000. — Т.303, № 2. С.191-225.Mikhailov M.M., Vladimirov V.M., Vlasov V.A. O razmernom ehffekte v radiatsionnom materialovedenii // Izvestiya TPU. – 2000. — T.303, № 2. S.191-225.Gargas D.J., Toimilmolares M.E., Yang P. Imaging single ZnO vertical nanowire laser cavities using UV-laser scanning confocal microscopy // J. Am. Chem. Soc. – 2009. – V.131. – P.2125-2127.Gargas D.J., Toimilmolares M.E., Yang P. Imaging single ZnO vertical nanowire laser cavities using UV-laser scanning confocal microscopy // J. Am. Chem. Soc. – 2009. – V.131. – P.2125-2127.Sun X., Yu S., Xu C., Yuan C., Chen B. Room-temperature ultraviolet lasing from zinc oxide microtubes // Jpn. J. Appl. Phys. – 2003. – V.42. – P.1229-1231.Sun X., Yu S., Xu C., Yuan C., Chen B. Room-temperature ultraviolet lasing from zinc oxide microtubes // Jpn. J. Appl. Phys. – 2003. – V.42. – P.1229-1231.Михайлов М.М., Гордиенко П.С., Сенько И.В., Пашнина Е.В., Бакеева Н.Г., Диденко Н.А., Усольцева Т.И. Влияние технологии получения на спектры наведенного поглощения порошков TiO2 (анатаз) // Изв. вузов. Физика. – 2002. – Т.45, № 11. С.92-93.Mikhailov M.M., Gordienko P.S., Sen'ko I.V., Pashnina E.V., Bakeeva N.G., Didenko N.A., Usol'tseva T.I. Vliyanie tekhnologii polucheniya na spektry navedennogo pogloshcheniya poroshkov TiO2 (anataz) // Izv. vuzov. Fizika. – 2002. – T.45, № 11. – S.92-93.Заводинский В.Г., Чибисов А.Н. Влияние примесей на стабильность и электронные состояния диоксида титана в форме анатаза // Физика твердого тела. — 2009. — Т. 53 (3). — С.477–482.Zavodinskii V.G., Chibisov A.N. Vliyanie primesei na stabil'nost' i ehlektronnye sostoyaniya dioksida titana v forme anataza // Fizika tverdogo tela. 2009. — T. 53 (3). — S.477–482.Choi, J., Park H., Hoffmann M. R. Effects of Single Metal-Ion Doping on the Visible-Light Photoreactivity of TiO 2 // J. Phys. Chem. C. — 2010. — V.114. — P.783−792.Choi, J., Park H., Hoffmann M. R. Effects of Single Metal-Ion Doping on the Visible-Light Photoreactivity of TiO 2 // J. Phys. Chem. C. — 2010. — V.114. — P.783−792.Рябчук В.К., Вениаминов А.В., Шайтанов Л.Л. Фотостимулированное дефектообразование в диоксиде титана, допированного Al, Zr, и Nb. Санкт-Петербург. СПбГУ: — 2018. — 108 с.Ryabchuk V.K., Veniaminov A.V., Shaitanov L.L. Fotostimulirovannoe defektoobrazovanie v diokside titana, dopirovannogo Al, Zr, i Nb. Sankt-Peterburg. SPBGU: — 2018. — 108 s.Kuznetsov V., Serpone N. On the Origin of the Spectral Bands in the Visible Absorption Spectra of Visible-Light-Active TiO 2 Specimens Analysis and Assignments // J. Phys. Chem C. — 2009. — V.113, No.34. — P.15110-15123.Kuznetsov V., Serpone N. On the Origin of the Spectral Bands in the Visible Absorption Spectra of Visible-Light-Active TiO2 Specimens Analysis and Assignments // J. Phys. Chem C. — 2009. — V.113, No.34. — P.15110-15123.Горелик В.С., Рахматуллаев И.А. Устройство для возбуждения вторичного излучения в молекулярных средах // Патент РФ №2289121. Официальный бюллетень. 2006. – №34.Gorelik V.S., Rakhmatullaev I.A. Ustroistvo dlya vozbuzhdeniya vtorichnogo izlucheniya v molekulyarnykh sredakh // Patent RF №2289121. Ofitsial'nyi byulleten'. 2006. – №34.Горелик В.С., Скрабатун А.В., Bi D. Комбинационное рассеяние света в микрокристаллах алмаза // Кристаллография. — 2019. — Т.64, №3. С.402-406.Gorelik V.S., Skrabatun A.V., Bi D. Kombinatsionnoe rasseyanie sveta v mikrokristallakh almaza // Kristallografiya. — 2019. — T.64, №3. — S.402-406.Ohsaka T., Izumi F., Fujiki Y. Raman Spectrum of Anatase, TiO 2 // J. Raman Spectroscopy. — 1978. V.7, No.6. — P.321-324.Ohsaka T., Izumi F., Fujiki Y. Raman Spectrum of Anatase, TiO 2 // J. Raman Spectroscopy. — 1978. V.7, No.6. — P.321-324.Kiselyova E.S., Sypchenko V.S., Nikitenkov N.N., Pozdeeva E.V., Zeylun V. Study of the composition and structure of titanium dioxide based coatings deposited by the method of reactive magnetic sputtering // Letters on materials. — 2017. — V.7, No.2. — P.117119.Kiselyova E.S., Sypchenko V.S., Nikitenkov N.N., Pozdeeva E.V., Zeylun V. Study of the composition and structure of titanium dioxide based coatings deposited by the method of reactive magnetic sputtering // Letters on materials. — 2017. — V.7, No.2. — P.117-119.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.