U ovom radu izloženi su rezultati istraživanja strukturnih i optičkih svojstava oksidnih
nanoprahova primenom metoda ramanske, fotoluminescentne i infracrvene
spektroskopije. Predloženi su fenomenološki modeli za analizu eksperimentalnih
ramanskih i IC spektara, koji polaze od osnovnih svojstava odgovarajućih kristalnih
materijala, a zatim uvode specifičnosti nanomaterijala, kako bi bliže odredili njihove
karakteristike. U tom cilju razvijeni su numerički modeli i programi, koji su testirani u
odnosu na eksperimentalne podatke o poznatim efektima u nanomaterijalima, a zatim
su modelovani eksperimentalni spektri odabranih nanoprahova. Korišćeni su anatas
TiO2 nanoprahovi, sintetisani laserski indukovanom pirolizom, kao i čist CeO2-δ i
dopirani Ce1−xY(Nd)xO2−δ nanoprahovi, sintetisani samopropagirajućom sintezom na
sobnoj temperatri. Takođe su izloženi su rezultati karakterizacije ispitivanih
nanomaterijala metodama difrakcije X-zraka (XRD), merenja specifične površine
(BET) ...i skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM), kao i osnovni literaturni podatci
o strukturnim, simetrijskim i vibracijskim karakteristikama odgovarajućih kristalnih
struktura, neophodno za modelovanje eksperimentalih spektara. Dat je pregled
defekata, koji mogu da nastanu u ovim materijalima i imaju uticaj na njihova
strukturna i elektronska svojstva, sa posebnim osvrtom na defekte povezane sa
promenom stehiometrije.
Razvijeni su, opisani i primenjeni numerički model i originalni softver za
primenu modela fononskog ograničenja (MFO) za analizu ramanskih spektara
nanostrukturnih materijala, koji se može koristiti za široku klasu nanostrukturnih
materijala (nanoprahovi, kvantne tačke, kvantne žice, tanki filmovi). MFO modeluje
efekte fononskog ograničenja, fononske disperzije, distribucije dimenzija nanočestica,
mikronaprezanja, nestehiometrije, kao i anharmonijski efekat. Model je primenjen na
ramanske spektre anatas TiO2 nanopahova, kao i čistih i dopiranih CeO2-δ
nanoprahova, a rezultati su upoređeni sa eksperimentalnim spektrima. Na osnovu
analize ramanskog pomeraja i asimetričnog širenja kod najintenzivnijeg anatas Eg
moda i F2g moda u CeO2, izvedeni su zaključci o prisustvu, odnosno dominaciji
pojedinih efekata u merenim uzorcima nanoprahova. Metoda ramanske spektroskopije
posebno je primenjena u analizi defekata, koji se javljaju u navedenim
nanoprahovima, usled nestehiometrije i/ili dopiranja. Prikazana je detaljna analiza
uticaja pojedinih parametara MFO na položaj, širinu i oblik modelovanog ramanskog
spektra nanomaterijala. Razmatrani su uticaji jačine i dimenzije fononskog
ograničenja, fononski disperzija, simetrije i anizotropije Brillouin-ove zone,
distribucije dimenzija nanočestica, usrednjenog i nehomogenog naprezanja,
odstupanja od stehiometrije i anharmonijskog efekta. Posebno je analiziran uticaj
oblika raspodele dimenzije nanočestice, kroz primenu simetrične i asimetrične Gaussove
raspodele, kao i efekte usrednjenog, odnosno nehomogenog naprezanja kristalne
rešetke na pomeranje i asimetrično širenje modelovanog ramanskog moda...
In this work the research of structural and optical properties of oxide nanopowders by
Raman, photoluminescence and infrared spectroscopy have been presented. The
phenomenological models for analyzing experimental Raman and infrared spectra
have been proposed, based on properties of corresponding bulk materials, and specific
properties of nanomaterials have been introduced into models, in order to determine
the properties of these particular nanopowders. Numerical models and corresponding
software have been developed and tested regarding the experimental data of already
known effects in nanomaterials, and than the experimental spectra of chosen
nanopowders have been modeled. The TiO2 nanopowders in anatase phase,
synthesized by laser induced pyrolisis, have been used, as well as the pure CeO2-δ
and doped Ce1−xY(Nd)xO2−δ nanopowders, sunthesized by the method of self
propagated room temperature. Investigated nanomaterials have also been charactersed
by the methods of X-ray d...iffraction (XRD), specific surface measurements (BET),
and scanning tunneling microscopy (SEM), and basic literature data on structural,
symmetry and vibrational characteristics of corresponding bulk crystal structures,
important in the process of modeling the experimental spectra, have been presented.
The review of deffects, which can appear and influence the structural and electronic
properties if these materials has also been given, with special attention to defectes
related to the changes in stoichiometry.
Numerical model and original software for apllication of the phonon
confinement model (PCM) to the Raman spectra of nanostructural materials have
been developed, described and applied. This model may be applied to the wide class
of nanostructural materials, such as nanopowders, quantum dots, nanowires, thin
films. The PCM has been used to explore the efects of phonon confinement, phonon
dispersions, particle size distribution, microstrain, nonstoichiometry, as well as the
anharmonic effects. The model has been applied to calculate Raman spectra of anatase
nanopowders and pure and doped CeO2-δ nanopowders, and compare the results with
experimental spectra, in order to describe the effects present in particular oxide
nanopowders, by analyzing the Raman shift and asymmetrical broadening of the most
intensive Eg mode in anatase and F2g mode in the spectra of CeO2-δ samples. The
Raman spectroscopy has also been applied to analyze the defects, which have
appeared in those nanopowders, due to nonstoichiometry and/or doping. The
influence of PCM parameterers on the shift, linewidth and shape of Raman mode has
been analyzed in details, with particular attention to the confinement strength, phonon
dispersions, symmetry and anisotropy of Brillouin zone, particle size distribution,
average and inhomogeneous strain, nonstoichiometry and anharmonic effects. The
influence of the shape of particle size distribution (symmetrical and asymmetrical
Gauss distribution) on Raman shift and asymmetrical broadenig has been discussed...
