הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

סינתזה של המבנה ההיררכי ZnO / CdSSe Heterostructure Nanotrees

9.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/54675

⸱

29 בנובמבר 2016

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

במאמר זה

סיכום

כאן, אנו מכינים ולאפיין ננו ZnO / CdSSe היררכי דמוי עץ הרומן, שבו סניפים CdSSe גדלים על nanowires ZnO מיושר אנכית. Nanotrees וכתוצאה מכך הם חומר פוטנציאל המרת אנרגיית השמש והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים.

תקציר

הליך בתצהיר שני שלבים כימיים אדים מועסקים כאן כדי להכין-ננו הטרו ZnO / CdSSe הירארכי דמוי עץ. המבנים מורכבים סניפי CdSSe גדלו על nanowires ZnO כי מיושרים אנכיים על מצע ספיר שקוף. מורפולוגיה נמדדה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. מבנה הגבישי נקבע על ידי ניתוח עקיף אבקת רנטגן. הן ZnO גזע וענפים CdSSe יש מבנה גבישי wurtzite בעיקרה. יחס החפרפרת של S ו Se בענפי CdSSe נמדד על ידי ספקטרוסקופיה רנטגן נפיצת אנרגיה. סניפי CdSSe לגרום ספיגת אור הנראה חזקה. Photoluminescence (PL) ספקטרוסקופיה הראתה כי הגזע והענפים יוצרים heterojunction מסוג II. מדידות חי PL הראו ירידת חייו של פליטה מהעצים בהשוואת פליטה מן ZnO פרט נובע או סניפי CdSSe ומעיד העברת מטען מהירה בין CdSSe ו ZnO. הגלימהקאלי המיושר ZnO נובעת לספק מסלול העברת אלקטרונים ישיר המצע ולאפשר הפרדת תשלום יעילה לאחר photoexcitation ידי אור הנראה. השילוב של תכונות הנ"ל עושה ZnO / CdSSe nanotrees מועמדים מבטיחים עבור יישומים תאים סולריים, photocatalysis, והתקנים אופטו-אלקטרוניים.

מבוא

ZnO הוא מוליך למחצה II-VI שמציע פער להקה (BG) של 3.3 eV, ניידות אלקטרונים גבוהה, וכן 1,2 אנרגיה גדול אקסיטון מחייב. זהו חומר מוליך-למחצה בשפע עם שפע של יישומים בהווה ובעתיד במכשירים אופטיים, תאים סולריים, ואת photocatalysis. עם זאת, ZnO הוא שקוף, המגביל את תחולתו בטווח ספקטרלי הגלוי. לכן, אמצעי סופגי אור הנראה, כגון מוליכים למחצה צר פער 3, מולקולות צבע 4, ופולימרים רגישים 5, הועסקו לעתים קרובות את רגישותם של ZnO ספיגה אור הנראה.

תקליטורים (BG 2.43 eV) ואת CdSe (BG 1.76 eV) הם מוליכים למחצה II-VI צרי הפער נפוצים נחקרו באופן אינטנסיבי. הפרמטרים BG ו סריג של CdSSe סגסוגת משולשת יכול להיות מותאם על ידי שינוי יחס חפרפרת של רכיבים VI 6,7. nanocomposites ZnO / CdSSe דווחו לגרום photov ביותר8,9 המרת אנרגיה oltaic.

שילוב בין מסלול הובלת אלקטרונים היעיל של nanowires ZnO בציר האנכי כלפי מצע עם קליטת האור הנראה המשופרת של סניפי CdSSe הוביל העברת אלקטרונים יעילה בין הגזע וענפי 9,10. לפיכך, אנו מסונתז ננו-מבנה ZnO / CdSSe חדש דמוי עץ, שם מיושר אנכית nanowires ZnO מעוטרים סניפים CdSSe. חומר מרוכב זה יכול לשמש כאבן בניין עבור תקני המרת אנרגית סולארית רומן.

פרוטוקול זה מתאר כיצד מערכי nanowire ZnO גדלים על מצע ספיר על ידי שיקוע כימי חד-שלבית (CVD) מ אבקות ZnO ו- C, בעקבות הליך זה כבר פורסם בעבר 11. בעקבות הצמיחה של ננו-חוטי ZnO, בשלב שני של CVD מועסק לגדול סניפי CdSSe על nanowires ZnO. אנו מעסיקים עקיפה אבקת רנטגן (XRD), מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), ואנרגיה נפיצה ספקטרוסקופיה רנטגן (EDS) כדי למדוד את המבנה הגבישי, מורפולוגיה, והרכב של nanotrees ZnO / CdSSe (נוירוטיפיקלים). מנגנון העברת הספק נכסים ולחייב האופטיים בין ענפי הגזע נחקר על ידי photoluminescence (PL) ספקטרוסקופיה זמן נפתר מדידות חי PL.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. סינתזה של עץ דמוי ZnO / CdSSe ננו

  1. ציפוי מקדים וזהב של מצעי ספיר
    הערה: סרט הזהב פועל כזרז לצמיחה של nanowires ZnO.
    1. מגלשות ספיר נקיות (א-מטוס, 10 × 10 × מ"מ 1) באתנול 99.5% עם 5 דקות של sonication להכין את המצע עבור מקרטעת Au.
    2. להפקיד 10 ננומטר (± 2 ננומטר) הסרט -thick של זהב על שקופיות ספיר עם coater גמגום ויעד זהב.
  2. סינתזה של ננו-חוטים ZnO
    הערה: שלב sonication 1.2.2 תוצאות ZnO ופחמן הומוגנית (ZnO / C) תערובת. לאחר ערבוב, את התערובת משתנה לצבע האפור. צעד הדחיסה 1.2.3 מבטיח שאף אוויר שוהה תערובת וכי ZnO ופחמן נמצא בקשר הדוק. לאחר CVD, סרט לבן של nanowires ZnO צריך להיות מופקד על המצע, צד פונה לכיוון הסירה.
    1. מערבבים 1 גרם של nanopowder ZnO ו Activפחמן ated (חלק המוני של 50:50) ב 10 מ"ל של 99.5% אתנול ו ומערבבים היטב עם מרית.
    2. Sonicate את התערובת בתוך אמבט מים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות, ולאחר מכן לייבש אותו בתנור במשך ~ 5 שעות ב 80 ºC.
    3. מניחים את התערובת ZnO / C בסירה אלומינה וקומפקטי אותו היטב עם מרית.
    4. מניח את שקופיות ספיר מצופה זהב על גבי סירת אלומינה, עם הצד צופה הזהב פונה כלפי מטה. מניח את סירת אלומינה במרכז הצינור קוורץ בתוך תנור צינור אופקי.
    5. טהר את שפופרת קוורץ עבור שעה 1 עם Ar בקצב זרימה של 40 SCCM בטמפרטורת החדר (RT). העלה את הטמפרטורה מ RT ל -900 ºC בשיעור של 80 ºC / min ולשמור קבוע קצב זרימת ארגון.
    6. החזק את הטמפרטורה ב 900 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות. פתח את הצינור קוורץ בשני הקצוות על ידי הסרת צריכת גז פקק גומי ולתת אוויר להזין את הצינור כדי לספק חמצן עבור התגובה.
    7. לשמור על טמפרטורת התגובה ב 900 ºC עבור 3 שעות עם ruפקקי bber סיר. להתקרר RT בשיעור של 10 ºC / min.
    8. קח את הסירה ואת השקופיות מתוך הכבשן.
  3. הפקדת סניפים CdSSe על nanowires ZnO
    הערה: הספינה אלומינה של תקליטורים / Se הוצגה במרכז צינור קוורץ. את nanowires ZnO המוכן היו פונה כלפי מעלה היו 10 סנטימטרים במורד מהסירה. לאחר CVD השני, סרט כתום / צהוב, המהווה את ננו-מבנה ZnO / CdSSe, יופקד בשקופית.
    1. מערבבים 0.5 גרם של תקליטורים ו- CdSe (CDS / Se) גם אבקת (חלק המוני של 50:50) ומניחים את התערובת בסירה אלומינה. לדחוס את התערובת היטב.
    2. מניח את סירת אלומינה של תקליטורים / Se ואת מדגם nanowire ZnO בעבר הכין בצינור קוורץ.
    3. טהר את הצינור עם Ar בקצב זרימה של 40 SCCM ב RT עבור שעה 1. העלה את טמפרטורת תגובת 820 ºC בשיעור של 80 ºC / min. החזק את הטמפרטורה 820 ºC למשך 30 דקות.
    4. להתקרר RT בבשיעור של 10 ºC / min. קח את הסירה ואת השקופיות מתוך הכבשן.
  4. סינתזה של דגימות בקרה: nanowires ZnO ו CdSSe
    1. לסנתז nanowires ZnO כמו בסעיף 1.2 באותם תנאי הניסוי.
    2. לסנתז nanowires CdSSe כאמור בסעיף 1.3, באותם תנאי הניסוי, עם אותה הכמות של תקליטורים ו- רכב CdSe, אבל עם שקופית ספיר נקיה, מצופה זהב כמו המצע במקום השקופית שהופקד ZnO.

2. מורפולוגי אפיון crystallographic

  1. הר המדגם על הבמה SEM עם מלחציים ומניחים המדגם בתא ואקום של המכשיר SEM. קח תמונות SEM על מצב ברזולוציה גבוהה עם מרחק עבודה של 12.0 מ"מ במתח של 3 קילו ו בהגדלה בין 3,000X ו 10,000X 11,12.
  2. קח נתונים EDS עם מדגם זהה באמצעות גלאי רנטגן באותו מרחק עבודה של12.0 מ"מ. כווננו את המכשיר למצב ניתוח ולהתאים את המתח עד 20 קילו, וכתוצאה מכך זרם של 20 עד 40 מיקרו-אמפר 13.
  3. אסוף ספקטרום XRD על diffractometer אבקת רנטגן באמצעות קרינה Cu Kα מסוננים (λ = 1.5418 א) 11,12.

3. PL ספקטרוסקופית פליטה ומדידות Lifetime PL זמן נפתרה

הערה: ספקטרה PL ועוד היד נטויה פוטון יחיד בקורלציה זמן (TCSPC) מדידות ב RT בוצעו באמצעות מוגבר Ti: מתנד ספיר אחרי דור הרמונית השני (SHG), לייצר רכבת של 50 פולסים fsec מרוכז באורך גל 400 ננומטר עם כוח תפוקה של 1.76 mW 14.

  1. תקן המדגם לתוך בעל מדגם המציב את פן המדגם עד הליזר אל הגלאי. יישר את הלייזר להתמקד המדגם. מדוד את ספקטרום הפליטה PL של דגימות מ -500 ננומטר אורכי גל 900 ננומטר באמצעות ספקטרומטר סיבים.
  2. יש להשתמש בגלאי פוטון יחיד (Avalanche דיודה צילום או phototube) כדי למדוד גלגולים PL זמן נפתרה עם פילטר זכוכית צבע מסנן bandpass הפרעה 500 או 650 ננומטר.
  3. הכנס ZnO, CdSSe, או ZnO / CdSSe מחליק לתוך בעל המדגם. מדוד את nanowires ZnO טהור עם מסנן bandpass 500 ננומטר לבין דגימות CdSSe או ZnO / CdSSe עם מסנן bandpass 650 ננומטר.
  4. השתמש דלפק פוטון יחיד בקורלציה זמן או אוסצילוסקופ מהר למדוד את תקופות חי ריקבון קרינת הזמן נפתר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 1 מציג את מנגנון הצמיחה של ZnO / CdSSe נוירוטיפיקלים. ההליך כרוך אדי נוזל-מוצק קטליטי (VLS) תהליך ואחריו הצמיחה הלא קטליטי מוצק אדי (VS). בשלב VLS הראשון, ZnO ו- C להגיב באטמוספירה Ar, וכתוצאה מכך Zn מתכתי תחמוצת הפחמן. Zn מתמוסס וכפועל יוצא מזה מבשר זהב על פני המצע ספיר. nanowires ZnO לצמוח מן Zn מומס חמצן שיורית. בשלב השני, חשיפת תוצאות אוויר בצמיחת nanowires ZnO הארוך ידי VLS-VS על גבי זרעי ZnO הקצרים. מנגנון VLS-VS נדון בפ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

היישור האנכי של nanowires ZnO (גבעולים) מבוסס על גידול epitaxial על פני המצע. Nanowires ZnO לגדול באופן מועדף לאורך הכיוון <0001> תואם עם המחזוריות של א-המטוס של ספיר 12. לכן, את הסוג והאיכות של המצע חשוב מאוד. עוביים שונים של ציפוי זהב על פני המצע, מ -5 ננומטר ל -20 ננומטר, נבדקו לא הצביעו על הבדל משמעותי בגידול של nanowires ZnO. אורכו של ננו-חוטים ZnO יכול להיות מותאם על ידי שינוי כמות התערובת ZnO / C המשמש, את קצב הזרימה Ar, ובפעם חשיפה לאוויר. עבור סינתז...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

נתונים ומספרים במאמר זה מצוטטים מהספרות בננוטכנולוגיה על ידי Li et al. 17.

תודות

המחברים מודים Svilen Bobev על עזרתו עם ספקטרה XRD ו ק Booksh לסיוע עם הציוד coater גמגום.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ZnOSigma Aldrich1314-13-2
פחם פעילאלפא231-153-3
CdSeSigma Aldrich1306-24-7
CdSSigma Aldrich1306-23-6
ספירMTI2SPa-plane, 10 & times; 10 & times; 1 מ"מ
תנורLindberg Blue MSSP
מיקרוסקופ אלקטרונים סורקהיטאצ'יS5700מורכב עם גלאי X-act של אוקספורד אינקה
דיפרקטומטר אבקת רנטגןRigakuMiniFlexמסונן Cu Kα קרינה (λ=1.5418  &ארינג;)
Ti מוגבר: מתנד ספירקוהרנטי גמל שלמהקוהרנטי אגדה קוהרנטית-עלית
מודול זיהוי פוטון יחידמזהה QuantiqueID-100
ציפוי מקרטעCressington308מורכב עם יעד זהב
ספקטרומטר בדיקה סיביםבקרת פוטוןSPM-002
מסנן זכוכית צבעוניתThorlabsFGB37-A - & אוסלאש; 25 מ"מ BG40AR מצופה: 350 - 700  ננומטר
גז ארגון דחוסKeen7440-37-1

מקורות

  1. Swank, R. K. Surface Properties of II-VI. Compounds. Phys. Rev. 153 (3), 844-849 (1967).
  2. Bagnall, D. M., et al. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. Appl Phys. Lett. 70 (17), 2230-2232 (1997).
  3. Zheng, Z. K., Xie, W., Lim, Z. S., You, L., Wang, J. L. CdS sensitized 3D hierarchical TiO2/ZnO heterostructure for efficient solar energy conversion. Sci. Rep. 4, (2014).
  4. Anta, J. A., Guillén, E., Tena-Zaera, R. ZnO-Based Dye-Sensitized Solar Cells. J. Phys. Chem. C. 116 (21), 11413-11425 (2012).
  5. Pelligra, C. I., Majewski, P. W., Osuji, C. O. Large area vertical alignment of ZnO nanowires in semiconducting polymer thin films directed by magnetic fields. Nanoscale. 5 (21), 10511-10517 (2013).
  6. Reddy, N. K., Devika, M., Shpaisman, N., Ben-Ishai, M., Patolsky, F. Synthesis and cathodoluminescence properties of CdSe/ZnO hierarchical nanostructures. J. Mater. Chem. 21 (11), 3858-3864 (2011).
  7. Lee, Y. L., Chi, C. F., Liau, S. Y. CdS/CdSe Co-Sensitized TiO2 Photoelectrode for Efficient Hydrogen Generation in a Photoelectrochemical Cell. Chem. Mater. 22 (3), 922-927 (2010).
  8. Rincón, M. E., Sánchez, M., Ruiz-García, J. Photocorrosion of Coupled CdS/CdSe Photoelectrodes Coated with ZnO: Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction Studies. J. Electrochem. Soc. 145 (10), 3535-3544 (1998).
  9. Leschkies, K. S., et al. Photosensitization of ZnO Nanowires with CdSe Quantum Dots for Photovoltaic Devices. Nano Lett. 7 (6), 1793-1798 (2007).
  10. Gonzalez-Valls, I., Lira-Cantu, M. Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells: a review. Energy Environ Sci. 2 (1), 19-34 (2009).
  11. Zhu, G., et al. Synthesis of vertically aligned ultra-long ZnO nanowires on heterogeneous substrates with catalyst at the root. Nanotechnology. 23 (5), 055604(2012).
  12. Yang, P., et al. Controlled Growth of ZnO Nanowires and Their Optical Properties. Adv. Func. Mater. 12 (5), 323-331 (2002).
  13. Myung, Y., et al. Composition-Tuned ZnO−CdSSe Core−Shell Nanowire Arrays. ACS Nano. 4 (7), 3789-3800 (2010).
  14. Pan, A., et al. Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1-x Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 127 (45), 15692-15693 (2005).
  15. Rakshit, T., Mondal, S. P., Manna, I., Ray, S. K. CdS-decorated ZnO nanorod heterostructures for improved hybrid photovoltaic devices. ACS Appl. Mater. Inter. 4 (11), 6085-6095 (2012).
  16. Nan, W. N., et al. Crystal Structure Control of Zinc-Blende CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals: Synthesis and Structure-Dependent Optical Properties. J. Am. Chem. Soc. 134 (48), 19685-19693 (2012).
  17. Li, Z., Nieto-Pescador, J., Carson, A. J., Blake, J. C., Gundlach, L. Efficient Z-scheme charge separation in novel vertically aligned ZnO/CdSSe nanotrees. Nanotechnology. 27 (13), 135401(2016).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

ננו-חוטי ZnOענפי CdSSeמשקעי הפסקה כימיתמיקרוסקופיה אלקטרונית סורקתדיפרקציית קרני X של אבקהספקטרוסקופיה של קרני X בפיזור אנרגיהספקטרוסקופיה של פוטולומינצנציהצומת הטרוגנית מסוג IIבליעת אור נראההעברת מטען
סינתזה של המבנה ההיררכי ZnO / CdSSe Heterostructure Nanotrees
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.