Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Synteza hierarchicznych nanodrzew heterostrukturalnych ZnO/CdSSe

9.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54675

⸱

29 listopada 2016

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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj przygotowujemy i charakteryzujemy nowe, drzewiaste, hierarchiczne nanostruktury ZnO/CdSSe, gdzie gałęzie CdSSe rosną na pionowo ustawionych nanodrutach ZnO. Powstałe w ten sposób nanodrzewa są potencjalnym materiałem do konwersji energii słonecznej i innych urządzeń optoelektronicznych.

Streszczenie

Dwuetapowa procedura chemicznego osadzania z fazy gazowej jest tutaj stosowana do przygotowania drzewiastych, hierarchicznych hetero-nanostruktur ZnO/CdSSe. Struktury składają się z gałęzi CdSSe wyhodowanych na nanodrutach ZnO, które są ustawione pionowo na przezroczystym podłożu szafirowym. Morfologię zmierzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Strukturę krystaliczną określono za pomocą rentgenowskiej analizy dyfrakcji proszkowej. Zarówno łodyga ZnO, jak i gałęzie CdSSe mają głównie strukturę krystaliczną wurcytu. Stosunek molowy S i Se w gałęziach CdSSe zmierzono za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Gałęzie CdSSe powodują silną absorpcję światła widzialnego. Spektroskopia fotoluminescencyjna (PL) wykazała, że łodyga i gałęzie tworzą heterozłącze typu II. Pomiary czasu życia PL wykazały spadek czasu życia emisji z drzew w porównaniu z emisją z pojedynczych pni ZnO lub gałęzi CdSSe i wskazują na szybki transfer ładunku między CdSSe i ZnO. Pionowo ustawione trzony ZnO zapewniają bezpośrednią ścieżkę transportu elektronów do podłoża i pozwalają na efektywną separację ładunku po fotowzbudzeniu światłem widzialnym. Połączenie wyżej wymienionych właściwości sprawia, że nanodrzewa ZnO/CdSSe są obiecującymi kandydatami do zastosowań w ogniwach słonecznych, fotokatalizie i urządzeniach optoelektronicznych.

Wprowadzenie

ZnO to półprzewodnik II-VI charakteryzujący się wzbronioną energetycznie (BG) 3,3 eV, wysoką ruchliwością elektronów i dużą energią wiązania ekscytonu1,2. Jest to obfity materiał półprzewodnikowy o wielu obecnych i przyszłych zastosowaniach w urządzeniach optycznych, ogniwach słonecznych i fotokatalizie. Jednak ZnO jest przezroczysty, co ogranicza jego zastosowanie w widzialnym zakresie spektralnym. Dlatego materiały pochłaniające światło widzialne, takie jak półprzewodniki o wąskiejszczelinie3, cząsteczki barwnika4 i polimery światłoczułe5, są często stosowane do uwrażliwiania ZnO na absorpcję światła widzialnego.

CdS (BG 2.43 eV) i CdSe (BG 1.76 eV) są powszechnymi półprzewodnikami II-VI o wąskiej szczelinie i były intensywnie badane. Parametry BG i sieci trójskładnikowego stopu CdSSe można regulować, zmieniając proporcje molowe składników VI6,7. Doniesiono, że nanokompozyty ZnO/CdSSe zapewniają efektywną konwersję energii fotowoltaicznej8,9.

Połączenie efektywnego szlaku transportu elektronów pionowo ustawionych nanoprzewodów ZnO w kierunku podłoża z lepszą absorpcją światła widzialnego przez gałęzie CdSSe doprowadziło do efektywnego transferu elektronów między łodygą a gałęziami9,10. W ten sposób zsyntetyzowaliśmy nową, przypominającą drzewo nanostrukturę ZnO/CdSSe, w której pionowo ustawione nanodruty ZnO są ozdobione gałęziami CdSSe. Ten materiał kompozytowy może służyć jako budulec dla nowatorskich urządzeń do konwersji energii słonecznej.

Ten protokół opisuje, w jaki sposób nanoprzewody ZnO są hodowane na szafirowym podłożu za pomocą jednoetapowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) z proszków ZnO i C, zgodnie z procedurą, która została wcześniej opublikowana11. Po wzroście nanodrutów ZnO, drugi etap CVD jest stosowany do wzrostu gałęzi CdSSe na nanodrutach ZnO. Wykorzystujemy rentgenowską dyfrakcję proszkową (XRD), skaningową mikroskopię elektronową (SEM) i spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii (EDS) do pomiaru struktur krystalicznych, morfologii i składu nanodrzew ZnO/CdSSe (NT). Właściwości optyczne i mechanizm przenoszenia nośnika ładunku między gałęziami a łodygą zostały zbadane za pomocą spektroskopii fotoluminescencyjnej (PL) i pomiarów czasu życia PL z rozdzielczością czasową.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza drzewiastych nanostruktur ZnO/CdSSe

  1. Obróbka wstępna i złocone powlekanie podłoży szafirowych
    UWAGA: Złota folia działa jak katalizator wzrostu nanodrutów ZnO.
    1. Wyczyść szkiełka szafirowe (płaszczyzna a, 10 × 10 × 1 mm) w 99,5% etanolu z 5 minutami sonikacji, aby przygotować podłoże do rozpylania Au.
    2. Umieść warstwę złota o grubości 10 nm (± 2 nm) na szkiełkach szafirowych za pomocą napylacza i złotej tarczy.
  2. Synteza nanodrutów ZnO
    UWAGA: Etap sonikacji 1.2.2 daje w wyniku jednorodną mieszaninę ZnO i węgla (ZnO/C). Po wymieszaniu mieszanina zmienia kolor na szary. Etap zagęszczania ppkt 1.2.3 zapewnia, że w mieszaninie nie ma powietrza oraz że ZnO i węgiel są w bliskim kontakcie. Po CVD na podłożu należy osadzić białą warstwę nanodrutów ZnO, stroną skierowaną w dół w kierunku łodzi.
    1. Wymieszać 1 g nanoproszku ZnO i węgla aktywnego (udział masowy 50:50) w 10 ml 99,5% etanolu i dobrze wymieszać szpatułką.
    2. Sonikować mieszaninę w łaźni wodnej w temperaturze 20 ºC przez 30 minut, a następnie suszyć w piekarniku przez ~5 godzin w temperaturze 80 ºC.
    3. Umieść mieszaninę ZnO/C w łódce z tlenku glinu i dobrze ją zagęścić szpatułką.
    4. Umieść pokryte złotem szafirowe szkiełka na górze łodzi z tlenku glinu, stroną pokrytą złotem skierowaną w dół. Umieść łódkę z tlenku glinu na środku rurki kwarcowej w poziomym piecu rurowym.
    5. Płucz rurkę kwarcową przez 1 godzinę za pomocą Ar przy natężeniu przepływu 40 sccm w temperaturze pokojowej (RT). Zwiększyć temperaturę z RT do 900 ºC z szybkością 80 ºC/min i utrzymać stałe natężenie przepływu argonu.
    6. Utrzymuj temperaturę 900 ºC przez 2 godziny. Otwórz rurkę kwarcową na obu końcach, usuwając gumowy korek wloty gazu i pozwól powietrzu dostać się do rurki, aby dostarczyć tlen do reakcji.
    7. Utrzymywać temperaturę reakcji na poziomie 900 ºC przez 3 godziny ze zdjętymi gumowymi korkami. Schłodzić do temperatury pokojowej z prędkością 10 ºC/min.
    8. Wyjmij łódź i zjeżdżalnię z pieca.
  3. Osadzanie się gałęzi CdSSe na nanodrutach ZnO
    UWAGA: Łódź z tlenku glinu CdS / Se była wyświetlana pośrodku rurki kwarcowej. Przygotowane nanodruty ZnO były skierowane do góry i znajdowały się 10 cm w dół rzeki od łodzi. Po tym drugim CVD na szkiełku powinna zostać osadzona pomarańczowo-żółta warstwa, która jest nanostrukturą ZnO/CdSSe.
    1. Dobrze wymieszać 0,5 g proszku CdS i CdSe (CdS/Se) (ułamek masowy 50:50) i umieścić mieszaninę w łódce z tlenku glinu. Dobrze zagęścić mieszaninę.
    2. Umieść łódkę z tlenku glinu CdS/Se i wcześniej przygotowaną próbkę nanodrutu ZnO w rurce kwarcowej.
    3. Przepłukać probówkę Ar przy natężeniu przepływu 40 sccm w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę. Zwiększyć temperaturę reakcji do 820 °C z szybkością 80 ºC/min. Utrzymać temperaturę 820 ºC przez 30 minut.
    4. Schłodzić do temperatury pokojowej z prędkością 10 ºC/min. Wyjmij łódź i zjeżdżalnię z pieca.
  4. Synteza próbek kontrolnych: nanodruty ZnO i CdSSe
    1. Zsyntetyzować nanodruty ZnO, jak w sekcji 1.2, w tych samych warunkach doświadczalnych.
    2. Zsyntetyzować nanodruty CdSSe, jak w sekcji 1.3, w tych samych warunkach doświadczalnych, z taką samą ilością CdS i składu CdSe, ale z czystym, pokrytym złotem szkiełkiem szafirowym jako podłożem zamiast szkiełka osadzonego ZnO.

2. Charakterystyka morfologiczna i krystalograficzna

  1. Zamontuj próbkę na stoliku SEM za pomocą zacisku i umieść próbkę w komorze próżniowej przyrządu SEM. Wykonuj zdjęcia SEM w trybie wysokiej rozdzielczości z odległością roboczą 12,0 mm przy napięciu 3 kV i powiększeniu od 3 000X do 10 000X11,12.
  2. Pobrać dane EDS z tą samą próbką za pomocą detektora promieniowania rentgenowskiego w tej samej odległości roboczej 12,0 mm. Ustaw przyrząd w tryb analizy i dostosuj napięcie do 20 kV, co spowoduje natężenie prądu od 20 do 40 μA13.
  3. Zebrać widma XRD na rentgenowskim dyfraktometrze proszkowym przy użyciu przefiltrowanego promieniowania Cu Kα (λ=1,5418 A)11,12.

3. PL Spektroskopia emisyjna i czasowo-rozdzielcze pomiary czasu życia PL

UWAGA: Pomiary widm PL i skorelowanego w czasie zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC) w RT przeprowadzono przy użyciu wzmocnionego oscylatora Ti:sapphire po generacji drugiej harmonicznej (SHG), wytwarzając ciąg impulsów o długości 50 fsec wyśrodkowanych na długości fali 400 nm i mocy wyjściowej 1,76 mW14.

  1. Zamocuj próbkę w uchwycie na próbkę, który ustawia próbkę przodem do lasera i detektora. Ustaw laser tak, aby ustawić ostrość na próbce. Zmierz widma emisji PL próbek o długości fali od 500 nm do 900 nm za pomocą spektrometru światłowodowego.
  2. Użyj detektora pojedynczych fotonów (fotodiody lawinowej lub fototuby) do pomiaru czasowo rozdzielczych czasów życia PL za pomocą filtra z kolorowego szkła i filtra pasmowo-przepustowego 500 lub 650 nm.
  3. Włóż szkiełka ZnO, CdSSe lub ZnO/CdSSe do uchwytu na próbki. Zmierz czyste nanodruty ZnO za pomocą filtra pasmowoprzepustowego 500 nm, a próbki CdSSe lub ZnO/CdSSe za pomocą filtra pasmowoprzepustowego 650 nm.
  4. Użyj skorelowanego czasowo licznika pojedynczych fotonów lub szybkiego oscyloskopu, aby zmierzyć czasowo rozdzielczone czasowo czasy życia rozpadu fluorescencji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia mechanizm wzrostu nanorurek (NTs) ZnO/CdSSe. Procedura obejmowała katalityczny proces parowo-cieczowo-ciałego (VLS), po którym nastąpił niekatalityczny wzrost parowo-ciały (VS). W pierwszym etapie VLS, ZnO i C reagują w atmosferze Ar, co prowadzi do powstania metalicznego Zn i tlenku węgla. Zn rozpuszcza się następnie w prekursorze złota na podłożu szafirowym. Nanodruty ZnO rosną z rozpuszczonego Zn i resztkowego tlenu. W drugim etapie ekspozycja na ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Pionowe ułożenie nanodrutów ZnO (łodyg) opiera się na epitaksjalnym wzroście na podłożu. Nanodruty ZnO rosną preferencyjnie wzdłuż kierunku <0001>, który odpowiada okresowości płaszczyzny a szafiru12. Dlatego bardzo ważny jest rodzaj i jakość podłoża. Badano różne grubości powłoki złotej na podłożu, od 5 nm do 20 nm, które nie wykazały istotnej różnicy we wzroście nanodrutów ZnO. Długość nanodrutów ZnO można regulować, zmieniając ilość używanej mieszaniny ZnO/C, natężenie przepływu Ar i czas ekspozycji na powi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Dane i liczby w tym artykule są cytowane z literatury z zakresu nanotechnologii przez Li i wsp.Rozdział 17.

Podziękowania

Autorzy dziękują Svilenowi Bobevowi za pomoc w tworzeniu widm XRD oraz K. Booksh za pomoc w wyposażeniu urządzenia do napylania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ZnOSigma Aldrich1314-13-2
Węgiel aktywnyAlfa231-153-3
CdSeSigma Aldrich1306-24-7
CdSSigma Aldrich1306-23-6
SzafirMTI2SPa-plane, 10 &razy; 1 & razy; 1 mm
PiecLindberg Blue MSSP
Skaningowy mikroskop elektronowyHitachiS5700zmontowany z detektorem Oxford Inca X-act
Dyfraktometr rentgenowski proszkowyRigakuMiniFlexfiltrowany Cu Kα promieniowanie (λ=1.5418  Å ;)
Ampliified Ti:szafirowy oscylatorCoherent MantisCoherent Legend-Elite
Moduł wykrywania pojedynczych fotonówID QuantiqueID-100
NapylarkaCressington308zmontowana ze złotym celem
Spektrometr z sondą światłowodowąPhoton ControlSPM-002
Filtr z kolorowego szkłaThorlabsFGB37-A - i Oslash; Powłoka 25 mm BG40AR: 350 - 700  nm
Sprężony argon Keen7440-37-1

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

nanodruty ZnOodnogi CdSSechemiczne osadzanie z fazy gazowejskaningowa mikroskopia elektronowaproszkowa dyfrakcja rentgenowskaenergospektroskopia rentgenowskaspektroskopia fotoluminescencyjnaheterozłącze typu IIabsorpcja światła widzialnegotransfer ładunku
Synteza hierarchicznych nanodrzew heterostrukturalnych ZnO/CdSSe
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.