A continuación, preparamos y caracterizar nuevos jerárquicos nanoestructuras de ZnO / CdSSe forma de árbol, donde las ramas CdSSe se cultivan en nanocables de ZnO alineados verticalmente. Los nanotrees resultantes son un material potencial para la conversión de energía solar y otros dispositivos optoelectrónicos.
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Artículo de método
Síntesis del jerárquica ZnO / CdSSe heteroestructura Nanotrees
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Resumen
Resumen
Un procedimiento de deposición de vapor químico de dos etapas se emplea aquí para preparar jerárquicos ZnO / CdSSe hetero-nanoestructuras en forma de árbol. Las estructuras se componen de ramas CdSSe cultivadas en nanocables de ZnO que están alineadas verticalmente sobre un sustrato de zafiro transparente. La morfología se midió a través de microscopía electrónica de barrido. La estructura cristalina se determinó por análisis de difracción de polvo de rayos X. Tanto el ZnO tallo y las ramas CdSSe tener una estructura de cristal predominantemente wurtzita. La relación molar de S y de Se en las ramas CdSSe se midió por espectroscopia de rayos X de dispersión de energía. Las ramas CdSSe dan lugar a una fuerte absorción de la luz visible. Fotoluminiscencia (PL) espectroscopía demostró que el tallo y las ramas forman una heterounión de tipo II. mediciones de toda la vida PL mostraron una disminución en el tiempo de vida de la emisión de los árboles, en comparación con la emisión de ZnO individuo tallos o ramas CdSSe e indicar la transferencia de carga rápida entre CdSSe y ZnO. el verticamente alineado ZnO se debe proporcionar una vía de transporte de electrones directa al sustrato y permitir la separación de la carga eficiente después de fotoexcitación por la luz visible. La combinación de las propiedades mencionadas anteriormente hace ZnO / CdSSe nanotrees candidatos prometedores para aplicaciones en células solares, la fotocatálisis, y dispositivos opto-electrónicos.
Introducción
ZnO es un semiconductor II-VI que ofrece un intervalo de banda (BG) de 3,3 eV, una alta movilidad de electrones, y un 1,2 energía de enlace gran excitón. Se trata de un material semiconductor abundante, con una gran cantidad de aplicaciones presentes y futuras en dispositivos ópticos, células solares, y fotocatálisis. Sin embargo, ZnO es transparente, lo que limita su aplicación en la gama espectral visible. Por lo tanto, materiales absorbentes de luz visible, tales como semiconductores estrecha brecha de 3, 4 moléculas de colorante, y polímeros fotosensibles 5, con frecuencia han sido empleados para sensibilizar ZnO a la absorción de la luz visible.
CdS (BG 2.43 eV) y CdSe (BG 1.76 eV) son comunes semiconductores II-VI-gap estrecho y se han investigado intensamente. Los parámetros de BG y de celosía de la aleación ternaria CdSSe se pueden ajustar mediante la variación de las relaciones molares de los componentes de VI 6,7. nanocompuestos ZnO / CdSSe se han reportado para dar lugar a photov eficienteconversión de energía oltaic 8,9.
La combinación de la vía de transporte de electrones eficiente de los nanocables de ZnO alineados verticalmente hacia un sustrato con la mejora de la absorción de luz visible de las ramas CdSSe condujo a la transferencia eficiente de electrones entre el tallo y las ramas 9,10. Por lo tanto, se sintetizó una nueva nanoestructura ZnO / CdSSe en forma de árbol, donde nanocables de ZnO alineados verticalmente están decoradas con ramas CdSSe. Este material compuesto puede actuar como un bloque de construcción para los nuevos dispositivos de conversión de energía solar.
Este protocolo describe cómo se cultivan las matrices de nanocables de ZnO sobre un sustrato de zafiro mediante la deposición química de vapor de un solo paso (CVD) a partir de polvos de ZnO y C, siguiendo un procedimiento que ha sido previamente publicado 11. Tras el crecimiento de los nanocables de ZnO, un segundo paso de CVD se emplea para crecer ramas CdSSe en los nanocables de ZnO. Empleamos de difracción de rayos X en polvo (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), yespectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) para medir la estructura cristalina, morfología y composición de los nanotrees ZnO / CdSSe (NTs). El mecanismo de transferencia de propiedades ópticas y portador de carga entre las ramas y el tallo había sido investigada por la fotoluminiscencia (PL) y espectroscopia de mediciones de toda la vida PL tiempo de resolverse.
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Protocolo
1. Síntesis de árbol-como ZnO / CdSSe nanoestructuras
- El pretratamiento y el oro de recubrimiento de sustratos de zafiro
NOTA: La película de oro actúa como un catalizador en el crecimiento de los nanocables de ZnO.- diapositivas de zafiro limpio (un avión, 10 x 10 x 1 mm) en el 99,5% de etanol con 5 min de tratamiento con ultrasonidos para preparar el sustrato de Au pulverización catódica.
- Depositar a 10 nm (± 2 nm) de espesor de película de oro sobre los portaobjetos de zafiro con un dispositivo de recubrimiento por pulverización catódica y objetivo de oro.
- Síntesis de nanocables de ZnO
NOTA: La etapa de sonicación 1.2.2 resultados en una ZnO homogénea y carbono (/ C ZnO) mezcla. Después de mezclar, la mezcla cambia a un color gris. La etapa de compactación 1.2.3 asegura que el aire no está presente en la mezcla y que el ZnO y el carbono están en estrecho contacto. Después de CVD, una película blanca de nanocables de ZnO debe ser depositado sobre el sustrato, lado que mira hacia el barco.- Mezclar 1 g de ZnO y nanopowder activcarbono ated (proporción en masa de 50:50) en 10 ml de etanol al 99,5% y mezclar bien con una espátula.
- Sonicar la mezcla en un baño de agua a 20 ºC durante 30 minutos, y luego se seca en un horno durante ~ 5 horas a 80 ºC.
- Colocar la mezcla ZnO / C en un bote de aluminio y compacto bien con una espátula.
- Colocar los portaobjetos de zafiro recubiertas de oro en la parte superior de la embarcación de alúmina, con el lado recubierto de oro hacia abajo. Coloque el barco de alúmina en el centro del tubo de cuarzo en un horno de tubo horizontal.
- Purgar el tubo de cuarzo durante 1 hora con Ar a un caudal de 40 sccm a temperatura ambiente (RT). Aumentar la temperatura de RT a 900 ºC a una velocidad de 80 ºC / min y mantener constante el caudal de argón.
- Mantenga la temperatura a 900 ° C durante 2 horas. Abrir el tubo de cuarzo en ambos extremos mediante la eliminación de las entradas de gas tapón de goma y dejar que entre aire en el tubo para proporcionar oxígeno para la reacción.
- Mantenga la temperatura de reacción a 900 ° C durante 3 horas con el rutapones bber quitados. Enfriar a temperatura ambiente a una velocidad de 10 ºC / min.
- Tome el barco y la corredera fuera del horno.
- La deposición de ramas CdSSe en nanocables de ZnO
NOTA: El barco de alúmina de CdS / Se fue representada en el centro del tubo de cuarzo. Los nanocables de ZnO preparados se enfrentan hacia arriba y eran de 10 cm abajo de la embarcación. Después de este segundo CVD, un / película de color amarillo anaranjado, que es la nanoestructura ZnO / CdSSe, debe ser depositado en la diapositiva.- Mezclar 0,5 g de CdS y CdSe (CdS / Se) y polvo (fracción de masa de 50:50) y colocar la mezcla en un bote de alúmina. Compactar bien la mezcla.
- Coloque el bote de alúmina de CdS / SE y la muestra de ZnO nanocables preparado previamente en el tubo de cuarzo.
- Purgar el tubo con Ar a un caudal de 40 sccm a RT durante 1 hr. Aumentar la temperatura de reacción a 820 ºC a una velocidad de 80 ºC / min. Mantenga la temperatura a 820 ºC durante 30 min.
- Enfriar a RT auna velocidad de 10 ºC / min. Tome el barco y la corredera fuera del horno.
- Síntesis de las muestras de control: ZnO y CdSSe nanocables
- Sintetizar nanocables de ZnO como en la sección 1.2, en las mismas condiciones experimentales.
- Sintetizar nanocables CdSSe como en la sección 1.3, en las mismas condiciones experimentales, con la misma cantidad de CdS y composición CdSe, pero con una, tobogán zafiro recubierto de oro limpia como sustrato en lugar de la corredera de ZnO-depositado.
2. Caracterización morfológica y cristalográfica
- Montar la muestra en la etapa SEM con una abrazadera y colocar la muestra en la cámara de vacío del instrumento SEM. Tomar imágenes de SEM en el modo de alta resolución con una distancia de trabajo de 12,0 mm a una tensión de 3 kV y una ampliación de entre 3,000X y 10.000X 11,12.
- Tomar datos EDS con la misma muestra utilizando el detector de rayos X a la misma distancia de trabajo de12.0 mm. Poner el instrumento a modo de análisis y ajuste el voltaje a 20 kV, lo que resulta en una corriente de 20 a 40 mu 13.
- Recoger los espectros de difracción de rayos X en un difractómetro de polvo de rayos X usando radiación filtrada Cu Ka (λ = 1,5418 Å) 11,12.
3. PL espectroscopia de emisión y Medidas de por vida PL Tiempo de resolver
NOTA: Los espectros de PL y recuento de fotones individuales correlacionado con el tiempo (TCSPC) mediciones en RT se llevaron a cabo usando un amplificado Ti: oscilador de zafiro después de segunda generación armónica (SHG), produciendo un tren de 50 impulsos FSEC centradas en una longitud de onda de 400 nm y con una potencia de salida de 1,76 mW 14.
- Fijar la muestra en un soporte de muestras que posiciona la cara de muestra hasta el láser y al detector. Alinear el láser para centrarse en la muestra. Medir los espectros de emisión PL de las muestras de 500-nm a longitudes de onda 900 nm utilizando un espectrómetro de fibra.
- Use un detector de fotón único (avalanche fotodiodo o célula fotoeléctrica) para medir los tiempos de vida PL tiempo de resolverse con un filtro de vidrio de color y un filtro de interferencia de paso de banda de 500 o 650 nm.
- Insertar ZnO, CdSSe, o ZnO / CdSSe se desliza en el soporte de muestra. Medir los nanocables de ZnO puro con el filtro de paso de banda de 500 nm y las muestras CdSSe o ZnO / CdSSe con un filtro de paso de banda de 650 nm.
- Utilice un contador de fotón único correlacionado con el tiempo o un osciloscopio rápido para medir los tiempos de vida de decaimiento de fluorescencia con resolución temporal.
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Resultados
La Figura 1 muestra el mecanismo de crecimiento de ZnO / CdSSe NT. El procedimiento consistió en un proceso catalítico de vapor-líquido-sólido (VLS) seguido de un crecimiento no catalítica vapor-sólido (VS). En el primer paso VLS, ZnO y C reaccionan en la atmósfera Ar, resultando en Zn metálico y óxido de carbono. Zn se disuelve posteriormente en el precursor de oro sobre el sustrato de zafiro. nanocables de ZnO crecen desde el Zn disuelto y oxígeno residual. En el segun...
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Discusión
La alineación vertical de nanocables de ZnO (tallos) se basa en el crecimiento epitaxial sobre el sustrato. Nanocables de ZnO crecen preferentemente a lo largo de la <0001> dirección que coincide con la periodicidad de la a-plano de zafiro 12. Por lo tanto, el tipo y la calidad del sustrato son muy importantes. Diferentes espesores de la capa de oro sobre el substrato, de 5 nm a 20 nm, se han probado y no mostró diferencias significativas en el crecimiento de nanocables de ZnO. La longitud de los nanoca...
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Divulgaciones
Datos y cifras en este artículo se citan en la bibliografía de la nanotecnología por Li et al. 17.
Agradecimientos
Los autores agradecen a Svilen Bobev por su ayuda con los espectros de difracción de rayos X y K. Booksh de asistencia con el equipo Sputter.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| ZnO | Sigma Aldrich | 1314-13-2 | |
| Carbón Activado | Alfa | 231-153-3 | |
| CdSe | Sigma Aldrich | 1306-24-7 | |
| CdS | Sigma Aldrich | 1306-23-6 | |
| Zafiro | MTI | 2SP | A-plano, 10 &veces; 10 &veces; 1 mm |
| Horno | Lindberg Azul M | SSP | |
| Microscopio electrónico de barrido | Hitachi | S5700 | ensamblado con un detector Oxford Inca X-act |
| Difractómetro de polvo de rayos X | Rigaku | MiniFlex | filtrado Cu Kα radiación (λ=1.5418 Å) |
| Oscilador de Ti:zafiro amplificado | Mantis coherente | Leyenda coherente-Elite | |
| detección de fotón único | ID Quantique | ID-100 | |
| Recubridor por pulverización catódica | Cressington | 308 | ensamblado con objetivo de oro |
| Espectrómetro de sonda de fibra | Control de fotones | SPM-002 | |
| Filtro de vidrio coloreado | Thorlabs | FGB37-A - & Barra de oslayo; 25 mm BG40 | AR Coado: 350 - 700 nm |
| Gas argón comprimido | Keen | 7440-37-1 |
Referencias
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Reimpresiones y permisos
