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Methodenartikel

Synthese von Hierarchical ZnO / CdSSe Heterostruktur Nanotrees

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DOI:

10.3791/54675

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29. November 2016

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1Department of Chemistry & Biochemistry, University of Delaware, 2Department of Physics & Astronomy, University of Delaware

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier bereiten wir und zu charakterisieren neuartige baumartige hierarchische ZnO / CdSSe Nanostrukturen, wo CdSSe Zweige auf vertikal ausgerichteten ZnO-Nanodrähte wachsen. Die resultierenden nanotrees sind ein potentielles Material für die Umwandlung von Solarenergie und andere optoelektronische Geräte.

Zusammenfassung

Ein zweistufiger chemical vapor deposition Verfahren wird hier verwendet baumartige hierarchische ZnO / CdSSe hetero-Nanostrukturen herzustellen. Die Strukturen bestehen aus CdSSe Zweige auf ZnO-Nanodrähte gewachsen, die vertikal auf einem transparenten Saphirsubstrat ausgerichtet sind. Die Morphologie wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie gemessen. Die Kristallstruktur wurde durch Röntgenpulverbeugungsanalyse bestimmt. Sowohl die ZnO-Stamm und CdSSe Zweige haben eine überwiegend Wurtzit-Kristallstruktur. Das Molverhältnis von S und Se in den Zweigen CdSSe wurde durch energiedispersive Röntgenspektroskopie gemessen. Die CdSSe Zweige bewirken starke Absorption sichtbaren Lichts. Photolumineszenz (PL) Spektroskopie zeigte, dass der Stamm und Ästen eine Typ-II-Heteroübergang bilden. PL Lebensdauermessungen zeigten eine Abnahme in der Lebensdauer der Emission von den Bäumen, wenn der Emission von einzelnen ZnO verglichen Stielen oder CdSSe Zweigen und zeigen schnelle Ladungsübertragung zwischen CdSSe und ZnO. Der Vertinisch ausgerichteten ZnO ergibt sich ein direkter Elektronentransportweges auf das Substrat liefern und für eine effiziente Ladungstrennung nach Anregung durch Licht durch sichtbares Licht zu ermöglichen. Die Kombination der oben genannten Eigenschaften macht ZnO / CdSSe nanotrees aussichtsreiche Kandidaten für Anwendungen in Solarzellen, Photokatalyse und opto-elektronischen Vorrichtungen.

Einleitung

ZnO ist ein II-VI - Halbleiter mit einer Bandlücke (BG) von 3,3 eV mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit und eine große Exzitonenbindungsenergie 1,2. Es ist ein reichlich vorhandenes Halbleitermaterial mit einer Vielzahl von gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen in der optischen Geräte, Solarzellen und Photokatalyse. Allerdings ist ZnO transparent, die im sichtbaren Spektralbereich ihrer Anwendung begrenzt. Daher Materialien für sichtbares Licht, beispielsweise mit schmalem Bandabstand - Halbleiter 3, Farbstoffmoleküle 4 und lichtempfindliche Polymere 5 haben für sensibilisierende ZnO für sichtbares Licht absorbierende eingesetzt Absorption häufig worden.

CdS (BG 2.43 eV) und CdSe (BG 1.76 eV) sind gemeinsame Schmal Lücke Halbleiter II-VI und intensiv untersucht worden. Die BG und Gitterparameter der ternären Legierung CdSSe durch Variation der Molverhältnisse der Komponenten VI 6,7 eingestellt werden. ZnO / CdSSe Nanokomposite wurden in effizienter photov führen berichtetoltaic Energieumwandlung 8,9.

Mit dem verbesserten sichtbaren Lichtabsorption der CdSSe Zweige führte zu einer effizienten Elektronentransfer zwischen dem Stamm und Zweige 9,10 effiziente Elektronentransportweges vertikal ausgerichteter ZnO - Nanodrähten auf einem Substrat zu verbinden. So synthetisierten wir einen neuen Baum-wie ZnO / CdSSe Nanostruktur, in der vertikal ausgerichteten ZnO-Nanodrähte mit CdSSe Zweigen verziert sind. Dieser Verbundwerkstoff kann für neuartige Solarenergieumwandlungsvorrichtungen als Baustein handeln.

Dieses Protokoll beschreibt , wie ZnO - Nanodraht - Arrays auf einem Saphirsubstrat durch einstufige chemische Dampfabscheidung (CVD) von ZnO und C Pulver gezüchtet werden, nach einem Verfahren , das vorher 11 veröffentlicht. Nach dem Wachstum von ZnO-Nanodrähten wird ein zweiter Schritt der CVD eingesetzt CdSSe Zweige auf der ZnO-Nanodrähte zu wachsen. Wir beschäftigen Röntgenpulverbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), undEnergiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) zur Messung der Kristallstruktur, Morphologie und Zusammensetzung der ZnO / CdSSe nanotrees (NTs). Die optischen Eigenschaften und die Ladungsträgertransfermechanismus zwischen den Zweigen und Stamm wurden von Photolumineszenz (PL) -Spektroskopie und zeitaufgelöste PL Lebensdauermessungen untersucht.

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Protokoll

1. Synthese von Baumartige ZnO / CdSSe Nanostrukturen

  1. Die Vorbehandlung und Goldbeschichtung von Saphir - Substraten
    HINWEIS: Der Goldfilm wirkt als Katalysator für das Wachstum der ZnO-Nanodrähten.
    1. Saubere Saphir Dias (a-Ebene, 10 × 10 × 1 mm) in 99,5% Ethanol mit 5 min Beschallung des Substrats für Au-Sputtern herzustellen.
    2. Kaution eine 10-nm (± 2 nm) dicken Goldfilm auf dem Saphirträger mit einem Sputter-Coater und Gold-Ziel.
  2. Synthese von ZnO-Nanodrähten
    HINWEIS: Die Beschallungsschritt 1.2.2 Ergebnisse in einer homogenen ZnO und Kohlenstoff (ZnO / C) -Mischung. Nach dem Mischen, ändert sich die Mischung auf eine graue Farbe. Der Verdichtungsschritt 1.2.3 gewährleistet, dass keine Luft in der Mischung vorhanden ist, und dass die ZnO und Kohlenstoff sind in engem Kontakt. Nach CVD sollte ein weißer Film aus ZnO-Nanodrähten auf dem Substrat abgeschieden werden, nach unten in Richtung des Bootes zeigt.
    1. Mischen Sie 1 g ZnO-Nanopulver und activATED Kohlenstoff (Massenanteil von 50:50) in 10 ml 99,5% Ethanol und gut umrühren mit einem Spatel.
    2. Beschallen die Mischung in einem Wasserbad bei 20 ºC für 30 min und dann bei 80 ºC für ca. 5 h in einem Ofen trocknen.
    3. Legen Sie das ZnO / C-Mischung in einem Aluminiumoxid-Boot und kompakt, dass es gut mit einem Spatel.
    4. Legen Sie die goldbeschichteten Saphir gleitet oben auf dem Aluminiumoxid-Boot, mit der goldbeschichteten Seite nach unten. Legen Sie das Aluminiumoxid Boot in der Mitte des Quarzrohr in einem horizontalen Rohrofen.
    5. Spülen des Quarzrohr für 1 h mit Ar mit einer Strömungsrate von 40 sccm bei Raumtemperatur (RT). Erhöhen Sie die Temperatur im Bereich von RT bis 900 ° C mit einer Geschwindigkeit von 80 ºC / min und halten Sie die Argonflussrate konstant.
    6. Halten Sie die Temperatur auf 900 ºC für 2 Stunden. Öffnen des Quarzrohres an beiden Enden durch den Gummistopfen Gaseinlässe Entfernen und lassen Luft in die Röhre eintreten Sauerstoff für die Reaktion bereitzustellen.
    7. Halten Sie die Reaktionstemperatur bei 900 ºC für 3 Stunden mit dem rubber Stopfen entfernt. Abkühlen auf RT mit einer Geschwindigkeit von 10 ºC / min.
    8. Nehmen Sie das Boot und die Folie aus dem Ofen.
  3. Die Ablagerung von CdSSe Zweige auf ZnO - Nanodrähte
    HINWEIS: Das Schiffchen aus Aluminiumoxid von CdS / Se wurde in der Mitte der Quarzröhre angezeigt. Die hergestellten ZnO-Nanodrähte wurden nach oben gerichtet und waren 10 cm hinter dem Boot. Nach diesem zweiten CVD, ein orange / gelb-Film, der die ZnO / CdSSe Nanostruktur ist, sollte auf der Folie aufgebracht werden.
    1. Mischen 0,5 g CdS und CdSe (CdS / Se) Pulver gut (Massenanteil von 50:50) und legen Sie die Mischung in einem Aluminiumoxid-Boot. Komprimieren Sie die Mischung gut.
    2. Legen Sie das Schiffchen aus Aluminiumoxid von CdS / Se und der zuvor hergestellten ZnO-Nanodraht Probe in dem Quarzrohr.
    3. Spülen des Rohres mit Ar mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 40 sccm bei RT für 1 Std. Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 820 ºC mit einer Geschwindigkeit von 80 ºC / min. Halten Sie die Temperatur bei 820 ° C für 30 min.
    4. Abkühlen auf RT aufeine Rate von 10 ºC / min. Nehmen Sie das Boot und die Folie aus dem Ofen.
  4. Synthese von Kontrollproben: ZnO und CdSSe Nanodrähte
    1. Synthesize ZnO-Nanodrähte, wie in Abschnitt 1.2 unter den gleichen Versuchsbedingungen.
    2. Synthetisieren CdSSe Nanodrähte, wie in Abschnitt 1.3, unter den gleichen Versuchsbedingungen mit der gleichen Menge an CdS und CdSe Zusammensetzung, aber mit einem sauberen, goldbeschichteten Saphir Folie als Substrat anstelle des ZnO dampfte Folie.

2. Morphologische und kristallographischen Charakterisierung

  1. Montieren Sie die Probe auf der SEM-Stufe mit einer Klammer und legen Sie die Probe in der Vakuumkammer des SEM Instruments. Nehmen Sie REM - Bilder auf hochauflösenden Modus mit einem Arbeitsabstand von 12,0 mm bei einer Spannung von 3 kV und einer Vergrößerung zwischen 3,000X und 10.000fach 11,12.
  2. Nehmen EDS-Daten mit der gleichen Probe unter Verwendung des Röntgendetektors bei der gleichen Arbeitsabstand von12,0 mm. Stellen Sie das Instrument den Analysemodus und Einstellen der Spannung auf 20 kV, was zu einem Strom von 20 bis 40 & mgr; A 13.
  3. Sammeln XRD - Spektren wurden auf einem Röntgenpulver - Diffraktometer mit gefilterter Cu Ka - Strahlung (λ = 1,5418 Å) 11,12.

3. PL Emissionsspektroskopie und zeitaufgelöste PL Lebensdauermessungen

HINWEIS: PL-Spektren und zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC) Messungen bei RT wurden unter Verwendung eines verstärkten Ti durchgeführt: Saphir-Oszillator nach Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), einen Zug von 50 fsec Impulsen bei einer Wellenlänge von 400 nm zentriert ist und mit einer Ausgangsleistung von 1,76 mW 14.

  1. Fixieren der Probe in einen Probenhalter, der die Probe Gesichtspositionen bis zu dem Laser und zum Detektor. Ausrichten des Lasers auf die Probe zu fokussieren. Messung der PL-Emissionsspektren der Proben von 500 nm bis 900-nm-Wellenlängen ein Faserspektrometer.
  2. Verwenden Sie ein Einzelphotonendetektor (avalanche Fotodiode oder Fotozelle) zeitaufgelöste PL Lebensdauer mit einem Farbglasfilter und einem 500- oder 650-nm-Interferenzbandfilter zu messen.
  3. Insert ZnO, CdSSe oder ZnO / CdSSe gleitet in den Probenhalter. Messen Sie die reine ZnO-Nanodrähte mit dem 500-nm-Bandpassfilter und den CdSSe oder ZnO / CdSSe Proben mit einem 650-nm-Bandfilter.
  4. Verwenden Sie eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzähler oder einen schnellen Oszilloskop die zeitaufgelöste Fluoreszenzzerfallslebensdauern zu messen.

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Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt den Wachstumsmechanismus von ZnO / CdSSe NTs. Das Verfahren involviert eine katalytische Dampf-Flüssigkeit-Feststoff (VLS) Verfahren durch eine nicht-katalytische Dampffeststoff (VS) Wachstum gefolgt. Im ersten Schritt VLS, ZnO und C reagieren, in die Atmosphäre Ar, was zu metallischem Zn und Kohlenoxid. Zn wird anschließend in dem Gold-Vorläufer auf dem Saphirsubstrat gelöst. ZnO-Nanodrähte wachsen aus dem gelösten Zn und Restsauerstoff. Im zweiten Sch...

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Diskussion

Die vertikale Ausrichtung der ZnO-Nanodrähte (Stämme) auf epitaxiales Wachstum auf dem Substrat basiert. ZnO - Nanodrähte wachsen vorzugsweise entlang der <0001> Richtung , die 12 mit der Periodizität der a-Ebene von Saphir passt. Daher sind die Art und die Qualität des Substrats sehr wichtig. Unterschiedliche Dicken der Goldbeschichtung auf dem Substrat, von 5 nm bis 20 nm, wurden getestet und zeigten keinen signifikanten Unterschied im Wachstum der ZnO-Nanodrähten. Die Länge der ZnO-Nanodrähte können ...

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Offenlegungen

Daten und Fakten in diesem Artikel sind aus der Literatur in der Nanotechnologie von Li zitiert et al. 17.

Danksagungen

Die Autoren danken Svilen Bobev für seine Hilfe bei der XRD-Spektren und K. Booksh für die Unterstützung bei der Sputter-Coater Ausrüstung.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
ZnOSigma Aldrich1314-13-2
AktivkohleAlfa231-153-3
CdSeSigma Aldrich1306-24-7
CdSSigma Aldrich1306-23-6
SaphirMTI2SPA-Plane, 10 & 10 & 1 mm
OfenLindberg Blue MSSP
RasterelektronenmikroskopHitachiS5700montiert mit einem Oxford Inca Röntgenaktdetektor
RöntgenpulverdiffraktometerRigakuMiniFlexgefilterte Cu Kα Strahlung (λ=1,5418  Å)
Amplifizierter Ti:Saphir-OszillatorCoherent MantisCoherent Legend-Elite
Einzelphotonen-DetektionsmodulID QuantiqueID-100
Sputter-CoaterCressington308montiert mit Goldtarget
FasersondenspektrometerPhoton ControlSPM-002
FarbglasfilterThorlabsFGB37-A - & Oslash; 25 mm BG40AR beschichtet: 350 - 700  nm
Komprimiertes ArgongasKeen7440-37-1

Referenzen

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