Нанокомпозиты оксидов металлов с плазмонными наночастицами: синтез и диагностика
З.В. Шомахов1, С.С. Налимова2, В.А. Мошников2
1 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
2 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.764
Обзор
Аннотация: Плазмонные наноструктуры на основе оксидов металлов, модифицированных наночастицами благородных металлов привлекают все большее внимание исследователей, работающих в областях фотодинамической терапии, биосенсоров, фотоники, оптоэлектроники, поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии и катализа. При этом характеристики полученных нанокомпозитов определяются размерами наночастиц, зависящими от методов и условий синтеза. В данной работе проанализированы подходы к синтезу нанокомпозитов «плазмонные наночастицы – оксид металла». Рассмотрены методы, позволяющие получить металлические наночастицы на поверхности предварительно синтезированного оксида металла. К ним относятся различные способы осаждения из газовой фазы и из раствора. Выделена группа методов одностадийного синтеза нанокомпозитов, в которую входят вариации золь-гель метода и др. Проанализированы размер частиц, распределение частиц по размеру и однородность расположения металлических наночастиц в формируемых нанокомпозитах. Показаны возможности контроля взаимодействия компонентов в нанокомпозитах с помощью спектроскопии диффузного отражения по появлению полос поглощения, соответствующих плазмонным эффектам. Взаимодействие компонентов приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны композитных материалов. Дополнительными методами диагностики являются рамановская спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, при этом анализируется изменение положения характерных пиков, а также метод зонда Кельвина в сканирующей зондовой микроскопии.
Ключевые слова: плазмонные наночастицы, оксид металла, нанокомпозиты, синтез, оптическая спектроскопия
- Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., директор института электроники, робототехники и искусственного интеллекта, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
- Налимова Светлана Сергеевна – к.ф.-м.н., доцент кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
- Мошников Вячеслав Алексеевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
Ссылка для цитирования:
Шомахов, З.В. Нанокомпозиты оксидов металлов с плазмонными наночастицами: синтез и диагностика / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, В.А. Мошников // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 764-778. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.764. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Gracheva, I.E. Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly and modified by derivative forms of fullerenes / I.E. Gracheva, V.A. Moshnikov, E.V. Maraeva et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2012. – V. 358. – I. 2. – P. 433-439. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.020.
2. Li, A. A general sol-gel route to fabricate large-area highly-ordered metal oxide arrays toward high-performance zinc-air batteries / A. Li, Y. Tan, Y. Wang et al. // Small. – 2025. – V. 28. – I. 5. – Art. № 2409620. – 13 p. DOI: 10.1002/smll.202409620.
3. Hanini, F. Correlating electronic structure and antibacterial activity in sol–gel synthesized iron‑doped TiO2 nanostructured thin films / F. Hanini, M. Guezzoul, F. Bennabi et al. // Surfaces and Interfaces. – 2025. – V. 72. – Art. № 106978. – 15 p. DOI: 10.1016/j.surfin.2025.106978.
4. Налимова, С.С. Управление функциональным составом поверхности и улучшение газочувствительных свойств металлооксидных сенсоров посредством электронно-лучевой обработки / С.С. Налимова, С.В. Мякин, В.А. Мошников // Физика и химия стекла. – 2016. – Т. 42. – Вып. 6. – С. 773-780. DOI: 10.1134/S1087659616060171.
5. Божинова, А.С. Изучение фотокаталитических и сенсорных свойств нанокомпозитных слоев ZnO/SiO2 / А.С. Божинова, Н.В. Канева, И.Е. Кононова и др. // Физика и техника полупроводников. ‒ 2013. ‒ Т. 47. ‒ Вып. 12. ‒ С. 1662-1666. DOI: 10.1134/S106378261312004X.
6. Пешкова, Т.В. Структуры из нанопроводов с переходами Zn-ZnO : CuO для детектирования паров этанола / Т.В. Пешкова, Д.Ц. Димитров, С.С. Налимова и др. // Журнал технической физики. ‒ 2014. ‒ Т. 84. ‒ Вып. 5. ‒ С. 143-148. DOI: 10.1134/S1063784214050259.
7. Карпова, С.С. Функциональный состав поверхности и сенсорные свойства ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 / С.С. Карпова, В.А. Мошников, С.В. Мякин, Е.С. Коловангина // Физика и техника полупроводников. – 2013. – 47. – Вып. 3. – С. 369-372. DOI: 10.1134/S1063782613030123.
8. Карпова, С.С. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С.С. Карпова, В.А. Мошников, А.И. Максимов и др. // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т. 47. – Вып. 8. – С. 1022-1026.
DOI: 10.1134/S1063782613080095.
9. Мошников, В.А. Газочувствительные слои на основе фрактально-перколяционных структур / В.А. Мошников, С.С. Налимова, Б.И. Селезнев // Физика и техника полупроводников. ‒ 2014. ‒ Т. 48. ‒ Вып. 11. ‒ С. 1535-1539. DOI: 10.1134/S1063782614110177.
10. Han, B. Hydrothermal synthesis of spherical nanoflower ZnO with highly sensitive isoprene sensing performance / B. Han, C. Wang, W. Yang et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2025. – V. 1023. – Art. № 180176. – 10 p. DOI: 10.1039/C9CE01556F.
11. Буй, К.Д. Покрытия из наностержней гетероструктуры ZnO/Zn2SnO4 для эффективного детектирования ацетона / К.Д. Буй, С.С. Налимова, З.В. Шомахов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 794-804. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.794.
12. Шомахов, З.В. Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З.В. Шомахов, С.С. Налимова, А.А. Рыбина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 879-887. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.879.
13. Рябко, А.А. Архитектоника покрытий из наностержней оксида цинка для адсорбционных газовых сенсоров / Рябко А.А., Налимова С.С., Пермяков Н.В. и др. // Журнал технической физики. – 2023. – Т. 93. – Вып. 10. – С. 1494-1502. DOI: 10.61011/JTF.2023.10.56288.148-23.
14. Бобков, А.А. Получение гетероструктурных оксидных композиций для перспективных солнечных элементов нового поколения / А.А. Бобков, Н.А. Лашкова, А.И. Максимов и др. // Физика и техника полупроводников. ‒ 2017. ‒ Т. 51. ‒ Вып. 1. ‒ С. 63-67. DOI: 10.1134/S1063782617010031.
15. Налимова, С.С. Исследование формирования слоев станната цинка методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, В.А. Мошников и др. // Журнал технической физики. ‒ 2020. ‒ Т. 90. ‒ Вып. 7. ‒ С. 1132-1135. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49447.276-19.
16. Bobkov, A.A. Study of gas-sensitive properties of zinc oxide nanorod array at room temperature / A.A. Bobkov, D.S. Mazing, A.A. Ryabko et al. // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, 22-23 October 2018, St. Petersburg. ‒ New York, IEEE Publ, 2018. ‒ P. 219-221. DOI: 10.1109/EExPolytech.2018.8564407.
17. Belew, A.A. Solvothermal synthesis of metal oxide nanoparticles: a review of applications, challenges, and future perspectives / A.A. Belew, M.A. Assege // Results in Chemistry. – 2025. – V. 16. – Art. № 102438. – 20 p. DOI: 10.1016/j.rechem.2025.102438.
18. Chakrabarty, P. Light trapping-mediated room-temperature gas sensing by ordered ZnO nano structures decorated with plasmonic Au nanoparticles / P. Chakrabarty, M. Banik, N. Gogurla et al. // ACS Omega. – 2019. – V. 4. – I. 5. – P. 12071-12080. DOI: 10.1021/acsomega.9b01116.
19. Cattabiani, N. Tin oxide nanowires decorated with ag nanoparticles for visible light-enhanced hydrogen sensing at room temperature: bridging conductometric gas sensing and plasmon-driven catalysis / N. Cattabiani, C. Baratto, D. Zappa et al. // The Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – V. 122. – I. 9. – P. 5026-5031. DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b09807.
20. Zheng, Z.Q. Light-controlled C2H2 gas sensing based on Au–ZnO nanowires with plasmon-enhanced sensitivity at room temperature / Z.Q. Zheng, B. Wang, J.D. Yao, G.W. Yang // Journal of Materials Chemistry C. – 2015. – V. 3. – I. 27. – P. 7067-7074. DOI: 10.1039/C5TC01024A.
21. Trzeciak, M. Plasmonic effect of Au nanoparticles deposited onto TiO2-impact on the photocatalytic conversion of acetaldehyde / M. Trzeciak, J. Przepiórski, A. Kałamaga, B. Tryba // Molecules. – 2025. – V. 30. – I. 15. – Art. № 3118. – 22 p. DOI: 10.3390/molecules30153118.
22. Chiu, Y.-M. Fabrication and characterization of well-dispersed plasmonic Pt nanoparticles on Ga-doped ZnO nanopagodas array with enhanced photocatalytic activity / H.-M. Chiu, T.-H. Yang, Y.-C. Hsueh // Applied Catalysis B: Environmental. – 2015. – V. 163. – P. 156-166. DOI: 10.1016/j.apcatb.2014.07.039.
23. Bunluesak, T. Visible-light-driven heterostructure Ag/Bi2WO6 nanocomposites synthesized by photodeposition method and used for photodegradation of rhodamine B dye / T. Bunluesak, A. Phuruangrat, S. Thongtem et al. // Research on Chemical Intermediates. – 2021. – V. 47. – I. 7. – P. 3079-3092. DOI: 10.1007/s11164-021-04456-0.
24. Gogurla, N. Multifunctional Au-ZnO plasmonic nanostructures for enhanced UV photodetector and room temperature NO sensing devices / N. Gogurla, A.K. Sinha, S. Santra // Scientific Reports. – 2014. – V. 4. – Art. № 6483. – 9 p. DOI: 10.1038/srep06483.
25. Wang, Q. Synthesis of Ag or Pt nanoparticle-deposited TiO2 nanorods for the highly efficient photoreduction of CO2 to CH4 / Q. Wang, P. Dong, Z. Huang, X. Zhang // Chemical Physics Letters. – 2015. – V. 639. – P. 11-16. DOI: 10.1016/j.cplett.2015.08.068.
26. Wang, K. Three-dimensional graphene encapsulated Ag–ZnFe2O4 flower-like nanocomposites with enhanced photocatalytic degradation of enrofloxacin / K. Wang, S. Zhan, D. Zhang // RCS Advances. – 2021. – V. 11. – I. 8. – P. 4723-4739. DOI: 10.1039/d0ra09582f.
27. Alsmadi, A.K.M. Synthesis, photocatalytic, and photoelectric performance of mesoporous Au/TiO2 and Au/TiO2/MWCNT nanocomposites / A.K.M. Alsmadi, B. Salameh, O. Alshammari // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2025. – V. 207. – Art. № 112874. – 11 p. DOI: 10.1016/j.jpcs.2025.112874.
28. Chen, R. Unraveling photoexcited electron transfer pathway of oxygen vacancy-enriched ZnO/Pd hybrid toward visible light-enhanced methane detection at a relatively low temperature / R. Chen, J. Wang, S. Luo et al. // Applied Catalysis B: Environmental. – 2020. – V. 264. – Art. № 118554. – 9 p. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.118554.
29. Motla, A. Coupling effect and enhanced detection of organic dyes using SERS with Ag noble metal embellished hexagonal ZnO nanorods / A. Motla, D. Sharma, V.R. Soma, S. Annapoorni // Optical Materials. – 2024. – V. 149. – Art. № 115110. – 11 p. DOI: 10.1016/j.optmat.2024.115110.
30. Ziashahabi, A. The effect of silver oxidation on the photocatalytic activity of Ag/ZnO hybrid plasmonic/metal-oxide nanostructures under visible light and in the dark / A. Ziashahabi, M. Prato, Z. Dang et al. // Scientific Reports. – 2019. – V. 9. – Art. № 11839. – 12 p. DOI: 10.1038/s41598-019-48075-7.
31. Simagina, V.I. TiO2-based photocatalysts for controllable hydrogen evolution from ammonia borane / V.I. Simagina, O.V. Komova, A.M. Ozerova et al. // Catalysis Today. – 2021. – V. 379. – P. 149-158. DOI: 10.1016/j.cattod.2020.04.070.
32. Dao, T.D. Plasmon-mediated photocatalytic activity of wet-chemically prepared ZnO nanowire arrays / T.D. Dao, G. Han, N. Arai et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2015. – V. 17. – I. 11. – P. 7395-7403. DOI: 10.1039/C4CP05843G.
33. Benghanoum, H. Electrophoretic deposition of gold nanoparticles on highly ordered titanium dioxide nanotubes for photocatalytic application / H. Benghanoum, L. Khezami, R.B. Zaghouani et al. // Catalysts. – 2025. – V. 15. – I. 8. – Art. № 781. – 19 p. DOI: 10.3390/catal15080781.
34. Wang, D. Simultaneous detection and removal of formaldehyde at room temperature: Janus Au@ZnO@ZIF-8 nanoparticles / D. Wang, Z. Li, J. Zhou et al. // Nano-Micro Letters. – 2018. – V. 10. – I. 1. – Art. № 4. – 11 p. DOI: 10.1007/s40820-017-0158-0.
35. Lo, T.-H. The response of UV/blue light and ozone sensing using Ag-tio2 planar nanocomposite thin film / T.-H. Lo, P.-Y. Shih, C.-H. Wu // Sensors. – 2019. – V. 19. – I. 23. – Art. № 5061. – 10 p. DOI: 10.3390/s19235061.
36. Samriti. Sensitive, stable, and recyclable ZnO/Ag nanohybrid substrates for surface-enhanced raman scattering metrology / Samriti, P. Kumar, A. Yu. Kuznetsov et al. // ACS Materials Au. – 2024. – V. 4. – I. 4. – P. 413-423. DOI: 10.1021/acsmaterialsau.4c00002.
37. Zhang, B. High-performance room-temperature NO2 gas sensor based on Au-loaded SnO2 nanowires under UV light activation / B. Zhang, S. Zhang, Y. Xia et al. // Nanomaterials. – 2022. – V. 12. – I. 22. – Art. № 4062. – 20 p. DOI: 10.3390/nano12224062.
38. Karmaoui, M. Modification of anatase using noble-metals (Au, Pt, Ag): Toward a nanoheterojunction exhibiting simultaneously photocatalytic activity and plasmonic gas sensing / M. Karmaoui, L. Lajaunie, D.M. Tobaldi et al. // Applied Catalysis B: Environmental. – 2017. – V. 218. – P. 370-384. DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.06.010.
39. Qomaruddin. Visible-light-driven room temperature NO2 gas sensor based on localized surface plasmon resonance: the case of gold nanoparticle decorated zinc oxide nanorods (ZnO NRs) / Qomaruddin, O. Casals, H.S. Wasisto et al. // Chemosensors. – 2022. – V. 10. – I. 1. – Art. № 28. – 15 p. DOI: 10.3390/chemosensors10010028.
40. Kaur, S. Superior visible-light absorbing Ag@ZnO nanorods hybrid photocatalyst for efficient decomposition of commercial pharmaceuticals tetracycline and amoxicillin / S. Kaur, B. Pal // Journal of Water Process Engineering. – 2024. – V. 58. – Art. № 104765. – 14 p. DOI: 10.1016/j.jwpe.2023.104765.
41. Celebi, N. Ligand-free fabrication of Au/TiO2 nanostructures for plasmonic hot-electron-driven photocatalysis: photoelectrochemical water splitting and organic-dye degredation / N. Celebi, M.Y. Aydin, F. Soysal et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – V. 860. – Art. № 157908. – 13 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157908.
42. Ansari, S.A. Gold nanoparticles-sensitized wide and narrow band gap TiO2 for visible light applications: a comparative study / S.A. Ansari, M.M. Khan, M.O. Ansaria, M.H. Cho // New Journal of Chemistry. – 2015. – V. 39. – I. 6. – P. 4708-4715. DOI: 10.1039/C5NJ00556F.
43. Kumar, R. Visible light assisted surface plasmon resonance triggered Ag/ZnO nanocomposites: synthesis and performance towards degradation of indigo carmine dye / R. Kumar, S.Y. Janbandhu, G.K. Sukhadeve, R.S. Gedam // Advanced Materials for Energy & Applications. – 2023. – V. 30. – I. 44. – P. 98619-98631. DOI: 10.1007/s11356-022-22745-y.
44. Bian, Z. Au/TiO2 superstructure-based plasmonic photocatalysts exhibiting efficient charge separation and unprecedented activity / Z. Bian, T. Tachikawa, P. Zhang et al. // Journal of the American Chemical Society. – 2014. – V. 136. – I. 1. – P. 458-465. DOI: 10.1021/ja410994f.
45. Iftekhar Uddin, A.S.M. Effects of Ag nanoparticles decorated on ZnO nanorods under visible light illumination on flexible acetylene gas sensing properties / A.S.M. Iftekhar Uddin, G.S. Chung // Journal of Electroceramics. – 2018. – V. 40. – I. 1. – P. 42-49. DOI: 10.1007/s10832-017-0096-8.
46. Khore, S.K. Solar light active plasmonic Au@TiO2 nanocomposite with superior photocatalytic performance for H2 production and pollutant degradation / S.K. Khore, S.R. Kadam, S.D. Naik et al. // New Journal of Chemistry. – 2018. – V. 42. – I. 13. – P. 10958-10968. DOI: 10.1039/C8NJ01410H.
47. Khan, R. Enhanced photoluminescence of ZnO nanorods via coupling with localized surface plasmon of Au nanoparticles / R. Khan, J.-H. Yun, K.-B. Bae, I.-H. Lee // Journal of Alloys Compounds. – 2016. – V. 682. – P. 643-646. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.05.036.
48. Abdel-Fattah, E.M. Plasmonic ZnO-Au nanocomposites: a synergistic approach to enhanced photocatalytic activity through nonthermal plasma-assisted synthesis / E.M. Abdel-Fattah // Crystals. – 2024. – V. 14. – I. 10. – Art. № 890. – 13 p. DOI: 10.3390/cryst14100890.
49. Behera, R. Semiconductor-bimetallic plasmonic heterojunction ZnO-Ag-Cu as reusable SERS substrate with attomolar detection limit / R. Behera, A. Nag // Chemistry – An Asian Journal. – 2025. – V. 20. – I. 9. – Art. № e202401580. – 15 p. DOI: 10.1002/asia.202401580.
50. Lian, Z. Plasmonic silver quantum dots coupled with hierarchical TiO2 nanotube arrays photoelectrodes for efficient visible-light photoelectrocatalytic hydrogen evolution / Z. Lian, W. Wang, S. Xiao et al. // Scientific Reports. – 2015. – V. 5. – Art. № 10461. – 10 p. DOI: 10.1038/srep10461.
51. Kim, K.-J. Visible-light-sensitive nanoscale Au-ZnO photocatalysts / K.-J. Kim, P.B. Kreider, C.-H. Chang et al. // Journal of Nanoparticle Research. – 2013. – V. 15. – I. 5. – Art. № 1606. – 24 p. DOI: 10.1007/s11051-013-1606-5.
52. Bamola, P. Interfacial interaction of plasmonic nanoparticles (Ag, Au) decorated floweret TiO2 nanorod hybrids for enhanced visible light driven photocatalytic activity / P. Bamola, M. Sharma, C. Dwivedi et al. // Materials Science and Engineering: B. – 2021. – V. 273. – Art. № 115403. – 13 p. DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115403.
53. Cheng, Y. Insights into charge transfer and solar light photocatalytic activity induced by the synergistic effect of defect state and plasmon in Au nanoparticle-decorated hierarchical 3D porous ZnO microspheres / Y. Cheng, W. Wang, L. Yao et al. // Applied Surface Science. – 2019. – V. 494. – P. 959-968. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.07.257.
54. Zhang, Q. Visible light-assisted room temperature gas sensing with ZnO-Ag heterostructure nanoparticles / Q. Zhang, G. Xie, M. Xu et al. // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2018. – V. 259. – P. 269-281. DOI: 10.1016/j.snb.2017.12.052.
55. Kim, D.W. Plasmon expedited response time and enhanced response in gold nanoparticles-decorated zinc oxide nanowire-based nitrogen dioxide gas sensor at room temperature / D.W. Kim, K.H. Park, S.-H. Lee et al. // Journal of Colloid and Interface Science. – 2021. – V. 582. – Part B. – P. 658-668. DOI: 10.1016/j.jcis.2020.08.082.