Ukrainian Journal of Physical Optics


2022, Volume 23, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Characterization of ZnO–TiO2-coated tapered fibres synthesized by a low-temperature hydrothermal method

1Roslan F. S., 1Saidin N., 2Hatta M. A. M., 1Hasbullah N. F., 3Thirunavakkarasu P. M.

1Department of Electrical and Computer Engineering, International Islamic University Malaysia, 53100 Kuala Lumpur, Malaysia; norazlina@iium.edu.my;
2Department of Science in Engineering, Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 53100 Kuala Lumpur, Malaysia;
3Communication Technology Section, University Kuala Lumpur – British Malaysian Institute, Bt. 8, Jalan Sungai Pusu, 53100 Gombak, Selangor, Malaysia;

ABSTRACT

We characterize ZnO-nanorod fibres doped with different concentrations of TiO2 powder which is introduced on the final stage of synthesis of ZnO nanorods, using a low-temperature hydrothermal method. Their surface morphology, size of particles, behaviour of crystallites and optical properties are investigated using techniques of scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and an optical spectrometer. A presence of ZnO nanorods and a globular structure of TiO2 are confirmed by the SEM analysis. The EDS spectra and chemical-element mapping reveals a presence of Ti incorporated into a globular surface, along with Zn. The XRD analysis testifies that ZnO doped with TiO2 has a primary crystallite phase of ZnO. ZnO doped with 10 and 15 mM of TiO2 shows a stronger and more expressed peak corresponding to (002) and (011) planes, which implies improved crystallinity of ZnO–TiO2 system. Optical properties of ZnO–TiO2 are studied by measuring the intensity of halogen-source light transmitted through the fibres. The ZnO&15 mM TiO2 fibre sample shows the lowest intensity of the transmitted light due to higher refractive index of a cladding layer coated under condition of high TiO2 concentration. The increased light leakage in such a fibre can improve sensitivity of a relevant sensor, especially a gas one.


Keywords: zinc oxide, titanium dioxide, doping, ZnO–TiO2, nanorods, hydrothermal method

UDC: 535.243

    1. Zhu L and Zeng W, 2017. Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: A review. Sens. Actuators A Phys. 267: 242-261. doi:10.1016/j.sna.2017.10.021
    2. Boro B, Gogoi B, Rajbongshi B M and Ramchiary A, 2018. Nano-structured TiO2/ZnO nanocomposite for dye-sensitized solar cells application: a review. Renew. Sust. Energ. Rev. 81: 2264-2270. doi:10.1016/j.rser.2017.06.035
    3. Mustapha S, Ndamitso M M, Abdulkareem A S, Tijani J O, Shuaib D T, Ajala A O and Mohammed A K, 2020. Application of TiO2 and ZnO nanoparticles immobilized on clay in wastewater treatment: a review. Appl. Water Sci. 10: 1-36. doi:10.1007/s13201-019-1138-y
    4. Kołodziejczak-Radzimska A and Jesionowski T, 2014. Zinc oxide - from synthesis to application: a review. Materials. 7: 2833-2881. doi:10.3390/ma7042833
    5. Bachvarova-Nedelcheva A, Gegova R, Stoyanova A M, Iordanova R S, Copcia V E, Ivanova N K, Sandu I, 2014. Synthesis, characterization and properties of ZnO/TiO2 powders obtained by combustion gel method. Bulg. Chem. Commun. 46: 585-593. doi:10.2478/s11532-012-0167-2
    6. Idris N F, Lokman M Q, Harun S W, Rahim H R A, Hasbullah N F and Saidin N, 2018. Influence of growth duration to the zinc oxide (ZnO) nanorods on single-mode silica fiber. J. Telecommun. Electron. Comput. Eng. 10: 73-77.
    7. Wang J X, Sun X W, Yang Y, Huang H, Lee Y C, Tan O K and Vayssieres L, 2006. Hydrothermally grown oriented ZnO nanorod arrays for gas sensing applications. Nanotechnol. 17: 4995. doi:10.1088/0957-4484/17/19/037
    8. Faisal A D, Ismail R A, Khalef W K and Salim E T, 2020. Synthesis of ZnO nanorods on a silicon substrate via hydrothermal route for optoelectronic applications. Opt. Quantum Electron. 52: 1-12. doi:10.1007/s11082-020-02329-1
    9. Wisitsoraat A, Tuantranont A, Comini E, Sberveglieri G and Wlodarski W. Gas-sensing characterization of TiO2-ZnO based thin film. IEEE Sensors, 2006. P. 964-967. doi:10.1109/ICSENS.2007.355784
    10. Ramesh K, Gnanavel B and Shkir M, 2021. Enhanced visible light photocatalytic degradation of bisphenol A (BPA) by reduced graphene oxide (RGO)-metal oxide (TiO2, ZnO and WO3) based nanocomposites. Diam. Relat. Mater. 112: 108514. doi:10.1016/j.diamond.2021.108514
    11. Kumar K G, Avinash B S, Rahimi-Gorji M and Majdoubi J, 2020. Photocatalytic activity and smartness of TiO2 nanotube arrays for room temperature acetone sensing. J. Mol. Liq. 300: 112418. doi:10.1016/j.molliq.2019.112418
    12. Mazabuel-Collazos A and Rodriguez-Paez J E, 2018. Chemical synthesis and characterization of ZnO-TiO2 semiconductor nanocomposites: tentative mechanism of particle formation. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 28: 1739-1752. doi:10.1007/s10904-018-0827-6
    13. Punjabi N, Satija J and Mukherji S. Evanescent wave absorption based fiber-optic sensor-cascading of bend and tapered geometry for enhanced sensitivity. Switzerland: Sensing technology: current status and future trends. Ed. by A Mason. III (2015). P. 25-45. doi:10.1007/978-3-319-10948-0_2
    14. Baruah S and Dutta J, 2009. Hydrothermal growth of ZnO nanostructures. Sci. Technol. Adv. Mater. 10: 013001. doi:10.1088/1468-6996/10/1/013001
    15. Idris N F, Yahya N A M, Yaacob M H, Idris A H, Harun S W and Saidin N, 2019. Optical fiber coated zinc oxide (ZnO) nanorods decorated with palladium (Pd) for hydrogen sensing. Opt. Mater. 96: 109291. doi:10.1016/j.optmat.2019.109291
    16. Zhu B L, Xie C S, Wang W Y, Huang K J and Hu J H, 2004. Improvement in gas sensitivity of ZnO thick film to volatile organic compounds (VOCs) by adding TiO2. Mater. Lett. 58: 624-629. doi:10.1016/S0167-577X(03)00582-2
    17. Ayed S, Belgacem R B, Zayani J O and Matoussi A, 2016. Structural and optical properties of ZnO/TiO2 composites. Superlattices Microstruct. 91: 118-128. doi:10.1016/j.spmi.2016.01.004
    18. Tse-Wei Wang J, Zhiping Wang, Pathak S, Wei Zhang, deQuilettes D W, Wisnivesky-Rocca-Rivarola F, Jian Huang, Nayak P K, Patel J B, Mohd Yusof H A, Vaynzof Y, Rui Zhu, Ramirez I, Jin Zhang, Ducati C, Grovenor C, Johnston M B, Ginger D S, Nicholas R J and Snaith H J, 2016. Efficient perovskite solar cells by metal ion doping. Energy Environ. Sci. 9: 2892-2901. doi:10.1039/C6EE01969B
    19. Samavati Z, Samavati A, Ismail A F, Othman M H D and Rahman M A, 2019. Comprehensive investigation of evanescent wave optical fiber refractive index sensor coated with ZnO nanoparticles. Opt. Fiber Technol. 52: 101976. doi:10.1016/j.yofte.2019.101976
    Охарактеризовано волокна на основі наностержнів ZnO, леговані різними концентраціями порошку TiO2, введеного на кінцевій стадії синтезу наностержнів ZnO за низькотемпературним гідротермальним методом. Вивчено морфологію їхньої поверхні, розміри частинок, поведінку кристалітів та оптичні властивості за допомогою методів сканувальної електронної мікроскопії (СЕМ), енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (ЕРС), дифракції рентгенівських променів (ДРП) і оптичного спектрометра. Наявність наностержнів ZnO і глобулярну структуру TiO2 підтверджено СЕМ-аналізом. Спектри ЕРС, а також картування хімічних елементів засвідчили присутність Ti, поряд із Zn, у глобулярній поверхні. Рентгенівський аналіз фаз засвідчив, що ZnO, легований TiO2, має первинну кристалітну фазу ZnO. ZnO, легований 10 і 15 мМ TiO2, виявляє сильніший і більш виражений пік, що відповідає площинам (002) і (011). Це засвідчує досконалішу кристалічність системи ZnO–TiO2. Оптичні властивості ZnO–TiO2 досліджено шляхом вимірювання інтенсивності світла від галогенного джерела, що пройшло крізь волокно. Зразок волокна ZnO із 15 мМ TiO2 виявляє найнижчу інтенсивність пройденого світла через вищий показник заломлення шару оболонки, сформованої за умови високої концентрації TiO2. Збільшений витік світла у такому волокні може підвищити чутливість відповідного сенсора, особливо газового.

    Ключові слова: оксид цинку, діоксид титану, легування, ZnO–TiO2, нанострижні, гідротермальний метод.
Free download this article

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©