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Articolo metodologico

Sintesi di Hierarchical ZnO / CdSSe Heterostructure Nanotrees

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DOI:

10.3791/54675

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29 novembre 2016

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

In questo articolo

Sommario

Qui, ci prepariamo e caratterizzare nuovi gerarchici nanostrutture di ZnO / CdSSe ad albero, in cui i rami CdSSe si coltivano su nanofili di ZnO allineati verticalmente. I nanotrees risultanti sono un materiale potenziale per la conversione dell'energia solare e altri dispositivi opto-elettronici.

Abstract

Una procedura di deposizione di vapore chimico in due fasi è qui impiegata per preparare ad albero gerarchico ZnO / CdSSe etero-nanostrutture. Le strutture sono costituite da rami CdSSe coltivati ​​su nanofili di ZnO che sono verticalmente allineate su un substrato di zaffiro trasparente. La morfologia è stata misurata mediante microscopia elettronica a scansione. La struttura cristallina è stata determinata mediante analisi ai raggi X diffrazione della polvere. Sia il ZnO gambo e rami CdSSe hanno una struttura cristallina prevalentemente wurtzite. Il rapporto molare tra S e Se nei rami CdSSe stata misurata mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. I rami CdSSe risultato in forte assorbimento della luce visibile. spettroscopia di fotoluminescenza (PL) ha mostrato che lo stelo e rami formano una eterogiunzione tipo II. misure a vita PL hanno mostrato una diminuzione della durata delle emissioni dagli alberi rispetto alle emissioni da ZnO singoli steli o rami CdSSe e indicare il trasferimento di carica veloce tra CdSSe e ZnO. il Verticamente allineato ZnO steli fornire una via diretta trasporto degli elettroni al substrato e di consentire una efficace separazione di carica dopo photoexcitation da luce visibile. La combinazione delle proprietà sopra menzionate rende ZnO / CdSSe nanotrees candidati promettenti per applicazioni in celle solari, fotocatalisi e dispositivi opto-elettronici.

Introduzione

ZnO è un semiconduttore II-VI con un band gap (BG) di 3,3 eV, una elevata mobilità elettronica, e 1,2 energia di legame grande eccitone. Si tratta di un materiale semiconduttore abbondante con una pletora di applicazioni attuali e futuri dispositivi ottici, celle solari e fotocatalisi. Tuttavia, ZnO è trasparente, che limita la sua applicazione nel campo spettrale visibile. Pertanto, materiali assorbenti la luce visibile, come i semiconduttori stretta gap 3, 4 molecole di colorante, e polimeri fotosensibili 5, sono spesso stati impiegati per sensibilizzare ZnO di assorbimento della luce visibile.

CdS (BG 2.43 eV) e CdSe (BG 1,76 eV) sono comuni II-VI semiconduttori stretta gap e sono stati intensamente studiati. I parametri BG e reticolo della lega ternaria CdSSe possono essere regolate variando i rapporti molari dei componenti VI 6,7. nanocompositi ZnO / CdSSe sono stati segnalati per provocare photov efficienteconversione di energia oltaic 8,9.

Combinando il percorso di trasporto degli elettroni efficiente di nanofili di ZnO allineati verticalmente verso un substrato con il migliorato assorbimento della luce visibile dei rami CdSSe portato a trasferimento di elettroni efficace tra lo stelo e rami 9,10. Così, abbiamo sintetizzato un nuovo ZnO / CdSSe nanostruttura ad albero, dove nanofili di ZnO allineati verticalmente sono decorate con rami CdSSe. Questo materiale composito può agire come un blocco di costruzione per nuovi dispositivi di conversione dell'energia solare.

Questo protocollo descrive come array di nanofili di ZnO sono coltivate su un substrato di zaffiro da una fase di deposizione di vapore chimico (CVD) da polveri di ZnO e C, seguendo una procedura che è stato precedentemente pubblicato 11. Dopo la crescita di nanofili di ZnO, una seconda fase di CVD è impiegato a crescere rami CdSSe sui nanofili di ZnO. Ci avvaliamo di raggi X diffrazione (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM), eX-ray spettroscopia a dispersione di energia (EDS) per misurare la strutture cristalline, la morfologia e la composizione delle nanotrees ZnO / CdSSe (NTS). Il meccanismo di trasferimento proprietà ottiche e carica vettore tra i rami e le staminali sono state studiate per fotoluminescenza spettroscopia (PL) e le misure di durata PL risolte nel tempo.

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Protocollo

1. Sintesi di Tree-come ZnO / CdSSe Nanostrutture

  1. Pretrattamento e oro rivestimento di substrati di zaffiro
    NOTA: Il film oro agisce come catalizzatore nella crescita dei nanofili di ZnO.
    1. Pulire le diapositive zaffiro (un-aereo, 10 × 10 × 1 mm) a 99,5% di etanolo con 5 minuti di ultrasuoni per preparare il substrato per Au sputtering.
    2. Deposito a 10 nm (± 2 nm) pellicola -thick d'oro sulle diapositive zaffiro con un dispositivo a induzione polverizzazione e bersaglio oro.
  2. Sintesi di nanofili di ZnO
    NOTA: Il passo sonicazione 1.2.2 risultati in ZnO omogenea e carbonio (ZnO / C) della miscela. Dopo la miscelazione, la miscela si trasforma in un colore grigio. Il passo compattazione 1.2.3 assicura che l'aria presente nella miscela e la ZnO e carbonio sono in stretto contatto. Dopo CVD, una pellicola bianca di nanofili di ZnO deve essere depositato sul substrato, lato rivolto verso la barca.
    1. Mescolare 1 g di ZnO nanopolveri e Activcarbonio ated (frazione di massa di 50:50) in 10 ml di etanolo al 99,5% e mescolare bene con una spatola.
    2. Sonicare la miscela in un bagno di acqua a 20 ° C per 30 minuti, e poi asciugare in un forno per ~ 5 ore a 80 ° C.
    3. Mettere il composto ZnO / C in una barca allumina e compatta bene con una spatola.
    4. Porre i vetrini zaffiro oro rivestite sulla sommità della barca allumina, con il lato rivestito in oro rivolto verso il basso. Posizionare la barca allumina nel centro del tubo di quarzo in un forno tubolare orizzontale.
    5. Eliminare il tubo di quarzo per 1 ora con Ar ad un flusso di 40 sccm a temperatura ambiente (RT). Aumentare la temperatura da RT a 900 ° C ad una velocità di 80 ° C / min e mantenere costante la portata di argon.
    6. Mantenere la temperatura a 900 ° C per 2 ore. Aprire il tubo di quarzo su entrambe le estremità rimuovendo le ingressi gas tappo di gomma e lasciar entrare aria nel tubo per fornire l'ossigeno per la reazione.
    7. Mantenere la temperatura di reazione a 900 ° C per 3 ore con il rutappi bBER rimossi. Raffreddare a RT ad una velocità di 10 ° C / min.
    8. Prendere la barca e la slitta fuori dal forno.
  3. Deposizione di rami CdSSe su nanofili di ZnO
    NOTA: La barca allumina di CdS / SE è stato visualizzato al centro del tubo di quarzo. I nanofili di ZnO preparati sono stati rivolti verso l'alto ed erano 10 cm valle dalla barca. Dopo questa seconda CVD, un arancio / pellicola gialla, che è la nanostruttura ZnO / CdSSe, deve essere depositato sul vetrino.
    1. Miscelare 0,5 g di CD e CdSe (CdS / Se) in polvere e (frazione di massa di 50:50) e mettere il composto in una barca di allumina. Compattare bene il composto.
    2. Posizionare la barca di allumina di CdS / SE e il campione ZnO nanowire precedentemente preparato nel tubo di quarzo.
    3. Spurgare il tubo con Ar ad un flusso di 40 sccm a temperatura ambiente per 1 ora. Aumentare la temperatura di reazione a 820 ° C ad una velocità di 80 ° C / min. Mantenere la temperatura a 820 ° C per 30 min.
    4. Raffreddare a RTun tasso di 10 ° C / min. Prendere la barca e la slitta fuori dal forno.
  4. Sintesi dei campioni di controllo: ZnO e CdSSe nanofili
    1. Sintetizzare nanofili di ZnO come nella sezione 1.2 nelle stesse condizioni sperimentali.
    2. Sintetizzare nanofili CdSSe come nella sezione 1.3, nelle stesse condizioni sperimentali, con la stessa quantità di CdS e la composizione CdSe, ma con un pulito, oro rivestite diapositiva zaffiro come substrato invece della diapositiva ZnO-depositato.

2. morfologica e cristallografica Caratterizzazione

  1. Montare il campione sulla scena SEM con un morsetto e posizionare il campione nella camera a vuoto dello strumento SEM. Prendere immagini SEM in modalità ad alta risoluzione con una distanza di lavoro di 12,0 mm con una tensione di 3 kV e un ingrandimento tra 3,000X e 10.000X 11,12.
  2. Dai dati EDS con lo stesso campione utilizzando il rivelatore di raggi X alla stessa distanza di lavoro di12.0 mm. Impostare lo strumento in modalità di analisi e regolare la tensione di 20 kV, causando una corrente di 20 a 40 μA 13.
  3. Raccogliere XRD spettri su un diffrattometro a raggi X in polvere utilizzando filtrata Cu Kα radiazioni (λ = 1,5418 Å) 11,12.

3. PL Emission Spectroscopy e risolte nel tempo PL Lifetime Misure

NOTA: spettri PL e il conteggio di singolo fotone tempo-correlato (TCSPC) misurazioni a RT sono state effettuate utilizzando un amplificato Ti: oscillatore zaffiro dopo generazione di seconda armonica (SHG), producendo un treno di 50 impulsi FSEC centrato alla lunghezza d'onda di 400 nm e con una potenza di uscita di 1,76 mW 14.

  1. Fissare il campione in un portacampioni che posiziona la faccia campione fino alla laser e al rivelatore. Allineare il laser a concentrarsi sul campione. Misurare gli spettri di emissione PL dei campioni da 500 nm a lunghezze d'onda di 900 nm usando uno spettrometro fibra.
  2. Utilizzare un rivelatore di singolo fotone (avalanche fotodiodo o tubo fotografico) per misurare il tempo-risolta vite PL con un filtro di vetro di colore e un filtro passa-banda interferenze 500- o 650-nm.
  3. Inserire ZnO, CdSSe, o ZnO / CdSSe scivola nel supporto del campione. Misurare i nanofili di ZnO puro con il filtro passa-banda da 500 nm e campioni CdSSe o ZnO / CdSSe con un filtro passa-banda da 650 nm.
  4. Utilizzare un contatore di fotoni sola volta-correlata o di un oscilloscopio veloce per misurare i tempi di vita di fluorescenza di decadimento risolte nel tempo.

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Risultati

La Figura 1 mostra il meccanismo di crescita di ZnO / CdSSe NT. La procedura coinvolto un processo catalitico di vapore-liquido-solido (VLS) seguito da un (VS) crescita non catalitico di vapore-solido. Nella prima fase VLS, ZnO e C reagiscono in atmosfera di Ar, con conseguente Zn metallico e ossido di carbonio. Zn viene successivamente disciolto in precursore oro sul substrato di zaffiro. nanofili di ZnO crescono dal Zn disciolto e ossigeno residuo. Nella seconda fase, ...

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Discussione

L'allineamento verticale di nanofili ZnO (steli) è basato sulla crescita epitassiale sul substrato. Nanofili di ZnO crescono preferenzialmente lungo la <0001> direzione che corrisponde con la periodicità della un-piano di zaffiro 12. Pertanto, il tipo e la qualità del substrato sono molto importanti. Differenti spessori del rivestimento d'oro sul substrato, da 5 nm a 20 nm, sono stati testati e ha mostrato alcuna differenza significativa nella crescita di nanofili di ZnO. La lunghezza dei nanofi...

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Dichiarazioni

I dati e le cifre in questo articolo sono citati dalla letteratura nel campo delle nanotecnologie da Li et al. 17.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano Svilen Bobev per il suo aiuto con gli spettri XRD e K. Booksh per l'assistenza con l'apparecchiatura sputter coater.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
ZnOSigma Aldrich1314-13-2
Carbone AttivoAlfa231-153-3
CdSeSigma Aldrich1306-24-7
CdSSigma Aldrich1306-23-6
ZaffiroMTI2SPa-plane, 10 &volte; 10 &volte; 1 mm
FornaceLindberg Blu MSSP
Microscopio elettronico a scansioneHitachiS5700assemblato con un rivelatore Oxford Inca X-act
diffrattometro a raggi X per polveriRigakuMiniFlexfiltrato Cu K&alfa; (λ=1.5418  Å)
Oscillatore Ti:zaffiro amplificatoManteLegend-Elite
Modulo di rilevamento a singolo fotoneID QuantiqueID-100
Sputter coaterCressington308assemblato con bersaglio d'oro
Spettrometro a sonda in fibraControllo fotonicoSPM-002
Filtro in vetro coloratoThorlabsFGB37-A - & Oslash; 25 mm BG40AR rivestito: 350 - 700  nm
Gas argon compressoKeen7440-37-1
coerente

Riferimenti

  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).

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