Hier, we bereiden en karakteriseren van nieuwe boomachtige hiërarchische ZnO / CdSSe nanostructuren, waarbij CdSSe takken worden geteeld op verticaal uitgelijnd ZnO nanodraden. De resulterende nanotrees een potentiële materialen voor zonne-energie conversie en andere opto-elektronische inrichtingen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Synthese van Hierarchical ZnO / CdSSe heterostructuur Nanotrees
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een twee-staps chemische damp depositie procedure wordt hier toegepast om boomachtige hiërarchische ZnO / CdSSe hetero-nanostructuren te bereiden. De structuren zijn samengesteld uit CdSSe takken geteeld op ZnO nanodraden die verticaal worden uitgelijnd op een transparante saffier substraat. De morfologie werd gemeten met scanning elektronenmicroscopie. De kristalstructuur werd bepaald door röntgen poeder diffractie analyse. Zowel de ZnO stam en CdSSe takken overwegend wurtzite kristalstructuur. De molverhouding van S en Se in de CdSSe takken werd gemeten met energie-dispersieve röntgenspectroscopie. De CdSSe takken resulteren in sterk zichtbaar licht absorptie. Fotoluminescentie (PL) spectroscopie toonde dat de stam en takken vormen een type-II-heterojunctie. PL levensduur toonden een afname van de levensduur van de emissie van bomen vergelijking met emissie van ZnO individuele stammen of takken CdSSe en geven snelle ladingsoverdracht tussen CdSSe en ZnO. de Vertitisch uitgelijnd ZnO stammen een directe elektronentransport weg naar het substraat en een doelmatig ladingsscheiding na foto-excitatie van zichtbaar licht. De combinatie van de bovengenoemde eigenschappen maakt ZnO / CdSSe nanotrees veelbelovende kandidaten voor toepassingen in zonnecellen, fotokatalyse en opto-elektronische inrichtingen.
Inleiding
ZnO is een II-VI halfgeleider met een bandafstand (BG) van 3,3 eV, een hoge elektronenmobiliteit en een grote exciton bindingsenergie 1,2. Het is een overvloedig halfgeleidend materiaal met een overvloed aan de huidige en toekomstige toepassingen in optische apparatuur, zonnecellen en fotokatalyse. Echter, ZnO is transparant, dat de toepassing ervan in het zichtbare spectrale gebied beperkt. Daarom materialen absorberen van zichtbaar licht, zoals smalle spleet halfgeleiders 3, kleurstofmoleculen 4 en 5 lichtgevoelige polymeren, zijn vaak gebruikt voor sensibilisatie ZnO zichtbaar lichtabsorptie.
CdS (BG 2.43 eV) en CdSe (BG 1,76 eV) komen vaak voor II-VI narrow-gap halfgeleiders en zijn intensief onderzocht. BG en roosterparameters van het ternaire legering CdSSe kan worden ingesteld door variatie van de molaire verhoudingen van de componenten VI 6,7. ZnO / CdSSe nanocomposieten zijn zou resulteren in efficiënte photovoltaic energieomzetting 8,9.
De combinatie van de efficiënte elektron transport route van verticaal gerichte ZnO nanodraden in de richting van een substraat met de verbeterde zichtbaar licht absorptie van de CdSSe takken geleid tot een efficiënte overdracht van elektronen tussen de stam en takken 9,10. Zo gesynthetiseerd we een nieuwe boom-achtige ZnO / CdSSe nanostructuur, waarbij verticaal uitgelijnde ZnO nanodraden zijn versierd met CdSSe takken. Dit samengesteld materiaal kan fungeren als een bouwsteen voor nieuwe zonne-energie conversie apparaten.
Dit protocol beschrijft hoe ZnO nanodraadje arrays worden geteeld op een saffieren substraat door one-step chemical vapour deposition (CVD) van ZnO en C poeders, volgens een procedure die eerder is gepubliceerd 11. Na de groei van ZnO nanodraden, wordt een tweede stap van CVD toegepast om CdSSe takken groeien op de ZnO nanodraden. We gebruiken X-ray poeder diffractie (XRD), scanning electron microscopy (SEM), enenergie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) op de kristalstructuren, morfologie en samenstelling van de ZnO / CdSSe nanotrees (NT) te meten. De optische eigenschappen en ladingsdragers overdracht mechanisme tussen de takken en stam zijn onderzocht door fotoluminescentie (PL) spectroscopie en tijdsopgeloste PL levensduur metingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Synthese van Tree-achtige ZnO / CdSSe Nanostructures
- Voorbehandeling en gouden coating saffier substraten
OPMERKING: De goudlaag als katalysator in de groei van de ZnO nanodraden.- Schone objectglaasjes saffier (a-vlak 10 x 10 x 1 mm) in 99,5% ethanol 5 min van sonicatie op het substraat voor Au sputteren bereiden.
- Stort een 10-nm (± 2 nm) -longhaasjes film van goud op de saffier dia's met een sputter coater en gouden doel.
- Synthese van ZnO nanodraden
Opmerking: Het ultrasoonapparaat stap 1.2.2 resulteert in een homogene ZnO en koolstof (ZnO / C) mengsel. Na menging wordt het mengsel verandert in een grijze kleur. De compacteringsstap 1.2.3 voorkomen dat er lucht in het mengsel aanwezig is en dat de ZnO en koolstof in nauw contact. Na CVD, moet een witte film ZnO nanodraden worden afgezet op het substraat, naar beneden naar de boot.- Meng 1 g ZnO nanopoeders en activated koolstof (massafractie van 50:50) in 10 ml 99,5% ethanol en goed roeren met een spatel.
- Ultrasone trillingen van het mengsel in een waterbad bij 20 ° C gedurende 30 minuten en droog het in een oven ~ 5 uur bij 80 ° C.
- Plaats de ZnO / C mengsel in een aluminium boot en compact het goed met een spatel.
- Plaats de met goud beklede saffier dia's op de top van de alumina boot, met de met goud beklede zijde naar beneden. Plaats de alumina boot in het centrum van de kwartsbuis in een horizontale buisoven.
- Spoel de kwartsbuis gedurende 1 uur met Ar bij een stroomsnelheid van 40 sccm bij kamertemperatuur (RT). Verhoog de temperatuur van RT tot 900 ° C met een snelheid van 80 ° C / min en houden de argon debiet constant.
- Houd de temperatuur op 900 ° C gedurende 2 uur. Open de kwartsbuis aan beide uiteinden door het verwijderen van de rubberen stop gas inlaten en dat er lucht in de buis om zuurstof te voorzien voor de reactie.
- Houd de reactietemperatuur op 900 ° C gedurende 3 uur met de rubber stoppers verwijderd. Afkoelen tot kamertemperatuur met een snelheid van 10 ° C / min.
- Neem de boot en de dia uit de oven.
- Afzetting van CdSSe takken op ZnO nanodraden
LET OP: De alumina boot van CdS / Se werd weergegeven in het midden van de kwartsbuis. De bereide ZnO nanodraden werden naar boven en waren 10 cm stroomafwaarts van de boot. Na deze tweede CVD, een oranje / gele film, die de ZnO / CdSSe nanostructuur, worden afgezet op de dia.- Meng 0,5 g CdS en CdSe (CdS / Se) poeder goed (massa fractie van 50:50) en plaats het mengsel in een aluminium boot. Compacte het mengsel goed.
- Plaats de alumina boot van CdS / Se en de eerder bereide ZnO nanodraadje monster in de kwartsbuis.
- Spoel de buis met Ar bij een stroomsnelheid van 40 sccm bij kamertemperatuur gedurende 1 uur. Verhoging van de reactietemperatuur tot 820 ° C met een snelheid van 80 ° C / min. Houd de temperatuur op 820 ° C gedurende 30 min.
- Afkoelen tot RT opeen snelheid van 10 ° C / min. Neem de boot en de dia uit de oven.
- Synthese van controlemonsters: ZnO en CdSSe nanodraden
- Synthetiseren ZnO nanodraden als in paragraaf 1.2 onder dezelfde experimentele omstandigheden.
- Synthetiseren CdSSe nanodraden als in paragraaf 1.3, onder dezelfde experimentele omstandigheden, met dezelfde hoeveelheid CdS en CdSe samenstelling, maar met een schone, goud gecoate saffier dia als het substraat in plaats van de-ZnO afgezet glijbaan.
2. morfologische en Kristallografische karakterisering
- Monteer het monster op de SEM podium met een klem en plaats het monster in de vacuümkamer van de SEM instrument. Neem SEM foto's op hoge resolutie-modus met een werkafstand van 12,0 mm bij een spanning van 3 kV en een vergrotingsfactor tussen 3,000X en 10.000X 11,12.
- Neem EDS gegevens hetzelfde monster met de röntgendetector op dezelfde werkafstand van12,0 mm. Stel het instrument analyse modus en pas de spanning 20 kV, waardoor een stroom van 20 tot 40 uA 13.
- Verzamel XRD spectra op een X-ray poeder diffractometer gebruikt gefilterde Cu Ka straling (λ = 1,5418 Å) 11,12.
3. PL Emissie Spectroscopie en Tijdopgeloste PL Lifetime Metingen
LET OP: PL spectra en-time gecorreleerde single photon tellen (TCSPC) metingen bij KT werden met behulp van een versterkte Ti uitgevoerd: saffier oscillator na de tweede harmonische generatie (SHG), het produceren van een trein van 50 FSEC pulsen gecentreerd bij een golflengte van 400 nm en met een uitgangsvermogen van 14 mW 1,76.
- Bevestig het monster in een monsterhouder die het monster gezicht posities aan de laser en de detector. Lijn de laser te richten op het monster. Meet de PL emissiespectra van de monsters van 500 nm tot 900 nm golflengte met behulp van een glasvezel spectrometer.
- Gebruik één-foton detector (avalanche fotodiode of fototubus) tot tijd opgelost PL levens met een kleur glas filter en een 500- of 650-nm interferentie banddoorlaatfilter meten.
- Insert ZnO, CdSSe of ZnO / CdSSe dia's in de monsterhouder. Meet de zuivere ZnO nanodraden met de 500-nm banddoorlaatfilter en de CdSSe of ZnO / CdSSe monsters met een 650-nm banddoorlaatfilter.
- Gebruik een in de tijd gecorreleerd enkel foton balie of een snelle oscilloscoop aan de tijdsopgeloste fluorescentie verval levens te meten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 1 toont de groei mechanisme van ZnO / CdSSe NT. De procedure werd een katalytische damp-vloeistof-vaste stof (VLS) proces gevolgd door een niet-katalytische damp-vaste stof (VS) groei. In de eerste stap VLS, ZnO en C reageren in Ar-atmosfeer, waardoor metallic Zn en koolmonoxide. Zn wordt vervolgens opgelost in de gouden precursor op het saffiersubstraat. ZnO nanodraden groeien van de opgeloste Zn en de resterende zuurstof. In de tweede stap, blootstelling aan luc...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De verticale uitlijning van ZnO nanodraden (stengel) zijn gebaseerd op epitaxiale groei op het substraat. ZnO nanodraden groeien bij voorkeur langs de <0001> richting die overeenkomt met de periodiciteit van de a-vlak van saffier 12. Daarom is de soort en de kwaliteit van het substraat groot belang. Verschillende diktes van de goud coating op het substraat, van 5 nm tot 20 nm, zijn getest en toonde geen significant verschil in de groei van ZnO nanodraden. De lengte van de ZnO nanodraden kan worden bijge...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Gegevens en cijfers in dit artikel worden genoemd uit de literatuur in de nanotechnologie door Li et al. 17.
Dankbetuigingen
De auteurs danken Svilen Bobev voor zijn hulp bij de XRD spectra en K. Booksh voor hulp bij de sputter coater uitrusting.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| ZnO | Sigma Aldrich | 1314-13-2 | |
| Geactiveerde koolstof | Alfa | 231-153-3 | |
| CdSe | Sigma Aldrich | 1306-24-7 | |
| CdS | Sigma Aldrich | 1306-23-6 | |
| Saffier | MTI | 2SP | a-plane, 10 × 10 × 1 mm |
| oven | Lindberg Blue M | SSP | |
| Scanning elektronenmicroscoop | Hitachi | S5700 | geassembleerd met een Oxford Inca X-act detector |
| Röntgenpoederdiffractometer | Rigaku | MiniFlex | gefilterde Cu Kα straling (λ=1.5418 Å) |
| Versterkte Ti:saffier oscillator | Coherent Mantis | Coherent Legend-Elite | |
| Single foton detectie module | ID Quantique | ID-100 | |
| Sputter coater | Cressington | 308 | geassembleerd met gouden doelwit |
| Vezelsonde spectrometer | Photon Control | SPM-002 | |
| Gekleurde glazen filter | Thorlabs | FGB37-A - Ø25 mm BG40 | AR Gecoat: 350 - 700 nm |
| Gecomprimeerd argongas | Keen | 7440-37-1 |
Referenties
- Swank, R. K. Surface Properties of II-VI. Compounds. Phys. Rev. 153 (3), 844-849 (1967).
- Bagnall, D. M., et al. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. Appl Phys. Lett. 70 (17), 2230-2232 (1997).
- 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).
- Anta, J. A., Guillén, E., Tena-Zaera, R. ZnO-Based Dye-Sensitized Solar Cells. J. Phys. Chem. C. 116 (21), 11413-11425 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Leschkies, K. S., et al. Photosensitization of ZnO Nanowires with CdSe Quantum Dots for Photovoltaic Devices. Nano Lett. 7 (6), 1793-1798 (2007).
- 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).
- 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).
- Yang, P., et al. Controlled Growth of ZnO Nanowires and Their Optical Properties. Adv. Func. Mater. 12 (5), 323-331 (2002).
- Myung, Y., et al. Composition-Tuned ZnO−CdSSe Core−Shell Nanowire Arrays. ACS Nano. 4 (7), 3789-3800 (2010).
- Pan, A., et al. Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1-x Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 127 (45), 15692-15693 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
