Synthesis and characterization of Fe3O4/ZnO and Fe3O4/ZnMnS core-shell heterostructured nanoparticles

Abstract

Currently, core-shell heterostructured nanosystems are emerging as next-generation materials due to their potential multifunctionalities in contrast with the more limited single-component counterparts. Systematic investigation of core-shell nanostructures of ZnO and bare-and-doped- Mn2+ ZnS nanocrystals on the surface of magnetite nanoparticles (Fe3O4) was performed. The magnetite cores were prepared via the co-precipitation method and were next treated with an appropriate surfactant. The Fe3O4/(S) (S=ZnO and ZnMnS) core-shell nanoparticles were obtained by an aqueous solution method at room temperature. The structural tests were carried out using an x-ray diffractometer (XRD) which showed the development of crystalline phases of cubic Fe3O4, hexagonal ZnO wurtzite and cubic ZnS. These patterns also established the matching between bare and doped-Mn2+ ZnS diffraction peaks. Broadness of the diffraction peaks evidenced the formation of nanosize phases. The transmission electron microscopy (TEM) confirmed the deposition of a semiconductor shell on the surface of superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles. The UV-Vis spectra showed the presence of a strong absorption peak and photoluminescence (PL) spectra displayed the emission peak due to excitonic recombination and a very weak defect-related emission peak suggesting the rearrangement of electronic configuration in the core-shell structures when ZnO is surrounding the core. These spectra also displayed the strong emission peak attributed to paramagnetic ion Mn2+ when acted as dopant in the host ZnS structure. The study of the magnetic properties was carried out using a vibrating sample magnetometer (VSM) which evidenced considerable drop in the saturation magnetization of the Fe3O4/ZnO nanoparticles in comparison to individual Fe3O4 ones. For the Fe3O4/ZnMnS system a slight ferromagnetic behavior at room temperature was observed. The chemical composition of these nanomaterials was performed by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). This elemental analysis demonstrated the presence of Zn on the surface of the magnetic seed at an appropriate shell thickness. These core-shell heterostructured nanoparticles are receiving great potential applications in biomedical areas such as photodynamic therapy.

Los nanosistemas heteroestructurados núcleo-cáscara están actualmente emergiendo como materiales de última generación debido a sus potenciales multifuncionalidades en comparación a los sistemas homogéneamente estructurados. En este trabajo se llevó cabo una investigación sistemática de las nanopartículas núcleo-cáscara de ZnO y ZnS puro y dopado con Mn2+ sobre la superficie de magnetita (Fe3O4). Los núcleos de magnetita fueron preparados mediante el método de co-precipitación y luego fueron tratados con un surfactante adecuado. Las nanopartículas de Fe3O4/(S) (S=ZnO and ZnMnS) fueron obtenidas por medio de un método de solución acuosa a temperatura ambiente. Se usó un difractómetro de rayos x (XRD) para realizar las pruebas estructurales las cuales mostraron el desarrollo de las fases de Fe3O4 cúbica, wurtzita ZnO hexagonal y ZnS cúbica. Estos patrones también establecieron el excelente apareo entre los picos de difracción de ZnS puro y dopado con Mn2+. El ancho de los picos de difracción evidenció la formación de las fases a nanoescala. El microscopio de transmisión de electrones (TEM) confirmó la deposición de una cáscara semiconductora sobre la superficie de las nanopartículas superparamagnéticas. Los espectros de UV-Vis y fotoluminiscencia (PL) indicaron la presencia de un pico de absorción y emisión intenso debido a la recombinación excitónica y un pico de emisión débil relacionada al defecto sugiriendo el re arreglo de la configuración electrónica en las estructuras núcleo-cáscara cuando el ZnO está sobre la superficie del núcleo. Estos espectros también mostraron un pico de emisión intensa atribuido al ion paramagnético Mn2+ cuando este actúa como dopante en la estructura de ZnS. El estudio de las propiedades magnéticas fue realizado usando un magnetómetro de muestra vibrante (VSM) el cual evidencio la disminución en magnetización de saturación de Fe3O4/ZnO en comparación a las nanopartículas de Fe3O4 individuales. Para el sistema Fe3O4/ZnMnS un ligero comportamiento ferromagnético fue observado a temperatura ambiente. La composición química de estos nanomateriales fue llevada a cabo mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos x (XPS). Este análisis elemental demostró la presencia de Zn sobre la superficie del núcleo con un grosor de cáscara apropiado. Estas nanopartículas heteroestructuradas núcleo-cáscara están recibiendo numerosas aplicaciones en áreas biomédicas como en terapia fotodinámica.