Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Синтез Иерархическая ZnO / CdSSe гетероструктуре Nanotrees

9.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54675

⸱

29 ноября 2016 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы готовим и охарактеризовать новые древовидные иерархические наноструктуры ZnO / CdSSe, где CdSSe ветви выращиваются на вертикально ориентированных ZnO нанопроводов. Полученные nanotrees представляют собой потенциальный материал для преобразования солнечной энергии и других оптико-электронных приборов.

Аннотация

Процедура химического осаждения из паровой двухстадийный здесь используются для подготовки древовидные иерархические ZnO / CdSSe гетероатома наноструктуры. Структуры состоят из CdSSe ветвей, выращенных на ZnO нанопроводов, которые вертикально совмещенных на прозрачной подложке из сапфира. Морфология измеряли с помощью сканирующей электронной микроскопии. Кристаллическая структура была определена методом рентгеноструктурного анализа порошковой дифракции. И ZnO стебель и CdSSe ветви имеют преимущественно вюртцит кристаллическую структуру. Молярное отношение S и Se в ветвях CdSSe измеряли с помощью энергии дисперсионного рентгеновской спектроскопии. Ветви CdSSe приводят к сильным видимого поглощения света. Фотолюминесценции (PL) спектроскопии показали, что ствол и ветви образуют гетеропереход типа II. Измерение времени жизни ФЛ показал уменьшение срока службы эмиссии с деревьев по сравнению с излучением от индивидуального ZnO ​​стеблей или ветвей CdSSe и указывают на быстрый перенос заряда между CdSSe и ZnO. Vertiчески выровнены ZnO, стебли обеспечивают прямой перенос электронов путь к подложке и позволяют эффективно разделения зарядов после фотовозбуждением видимым светом. Сочетание вышеуказанных свойств делает ZnO / CdSSe nanotrees перспективны для применения в солнечных элементах, фотокатализа и оптико-электронных приборов.

Введение

ZnO является полупроводником II-VI показывая ширину запрещенной зоны (BG) 3,3 эВ, высокую подвижность электронов, и большой энергией связи экситона 1,2. Это богатый полупроводником с множеством настоящих и будущих применений в области оптических приборов, солнечных батарей и фотокатализа. Тем не менее, ZnO, прозрачна, что ограничивает его применение в видимой области спектра. Таким образом, материалы , поглощающие видимый свет, например узкозонных полупроводников 3, 4 молекул красителя и фоточувствительных полимеров 5, часто были использованы для сенсибилизации ZnO для видимого поглощения света.

CdS (BG 2,43 эВ) и CdSe (BG 1,76 эВ) являются общими II-VI узок полупроводниками и интенсивно исследовались. Параметры BG и решетки тройного сплава CdSSe можно регулировать путем изменения мольные соотношения компонентов VI 6,7. ZnO / CdSSe нанокомпозиты Сообщалось, что приводит к эффективному photovoltaic преобразования энергии 8,9.

Сочетание эффективного переноса электронов путь вертикально выровненных ZnO нанопроводов в направлении подложки с улучшенным поглощением видимого света ветвей CdSSe привело к эффективному переносу электронов между стеблем и ветвями 9,10. Таким образом, мы синтезировали новый древовидную ZnO / CdSSe наноструктуры, где вертикально выровненных ZnO нанопроволоки украшены ветвями CdSSe. Этот композитный материал может выступать в качестве строительного блока для новых устройств преобразования солнечной энергии.

Этот протокол описывает , как ZnO нанопроводов массивы выращивают на сапфировой подложке путем одностадийного химического осаждения из паровой фазы (CVD) из ZnO и С порошков, в соответствии с процедурой, которая ранее была опубликована 11. После роста ZnO нанопроводов, второй этап CVD используется расти ветви CdSSe на ZnO нанопроводов. Мы используем рентгеновских лучей на порошке дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии (SEM) иэнерго-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) для измерения кристаллических структур, морфологии и состава nanotrees ZnO / CdSSe (NTS). Механизм передачи оптических свойств и носителей заряда между ветвями и стебле были исследованы фотолюминесценции (PL) спектроскопии и измерения времени жизни ФЛ с временным разрешением.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Синтез древовидных ZnO / CdSSe Наноструктуры

  1. Предварительная обработка и золотое покрытие сапфировых подложек
    Примечание: пленка золота выступает в качестве катализатора в росте ZnO нанопроводов.
    1. Чистые горок сапфир (а-плоскости, 10 × 10 × 1 мм) в 99,5% этаноле с 5 мин обработки ультразвуком, чтобы подготовить субстрат для Au распылении.
    2. Депозит 10-нм (± 2 нм) -thick пленки золота на сапфировых слайдами с распыл для нанесения покрытий и мишени из золота.
  2. Синтез ZnO нанопроводов
    Примечание: Ступень озвучивания 1.2.2 приводит к гомогенной ZnO и углерод (ZnO / С) смесь. После перемешивания смесь переходит в серый цвет. Уплотнении 1.2.3 гарантирует, что воздух не присутствует в смеси, и, что ZnO ​​и углерода находятся в тесном контакте. После того, как сердечно-сосудистых заболеваний, белая пленка ZnO нанопроводов должна быть нанесена на подложку, лицевой стороной вниз к лодке.
    1. Смешайте 1 г ZnO нанопорошка и Activованные углерод (массовая доля 50:50) в 10 мл 99,5% этанола и хорошо перемешать с помощью шпателя.
    2. Разрушать ультразвуком смесь в водяной бане при 20 ° С в течение 30 мин, а затем высушить его в печи в течение ~ 5 часов при 80 ° С.
    3. Поместите смесь ZnO / C в лодочку из окиси алюминия и компактный его хорошо с помощью шпателя.
    4. Поместите позолоченные сапфировых скользит поверх лодки из оксида алюминия, чтобы сторона с золотым покрытием лицевой стороной вниз. Поместите лодку из оксида алюминия в центре кварцевой трубки в горизонтальной трубчатой ​​печи.
    5. Чистки кварцевую трубку в течение 1 ч с аргоном при скорости потока 40 кубических сантиметров в минуту при комнатной температуре (RT). Повышение температуры от комнатной температуры до 900 ° С со скоростью 80 ° С / мин и поддержания постоянной скорости потока аргона.
    6. Держа температуру при 900 ° С в течение 2 часов. Открыть кварцевую трубку с обоих концов, удалив впускные резиновую пробку газа и воздуха позволяют ввести трубку для подачи кислорода для реакции.
    7. Поддерживают температуру реакции при 900 ° С в течение 3 ч с руBBER пробки удалены. Охладить до комнатной температуры со скоростью 10 ° C / мин.
    8. Возьмите лодку и выскользнуть из печи.
  3. Отложение ветвей CdSSe на ZnO нанопроводов
    Примечание: Глинозем лодка CdS / Se был показан в центре кварцевой трубки. Подготовленные ZnO нанопроволоки были направлены вверх и были на 10 см ниже по течению от лодки. После этого второго CVD, оранжевый / желтый пленка, которая является ZnO / CdSSe наноструктуры, должен быть нанесен на слайд.
    1. Смешайте 0,5 г CdS и CdSe (CdS / Se) порошка скважины (массовая доля 50:50) и поместите смесь в глиноземистом лодке. Компактность смесь хорошо.
    2. Поместите лодку оксида алюминия CdS / Se и ранее подготовленный образец ZnO нанопроволоки в кварцевой трубке.
    3. Продуйте трубку с аргоном при скорости потока 40 кубических сантиметров в минуту при комнатной температуре в течение 1 часа. Повышение температуры реакции до 820 ° С со скоростью 80 ° С / мин. Удерживая температуру на уровне 820 ° С в течение 30 мин.
    4. Охладить до комнатной температуры всо скоростью 10 ° C / мин. Возьмите лодку и выскользнуть из печи.
  4. Синтез контрольных образцов: ZnO и CdSSe нанопроводов
    1. Обобщить ZnO нанопроводов, как и в разделе 1.2 при тех же экспериментальных условиях.
    2. Обобщить CdSSe нанопровода, как и в разделе 1.3, при тех же экспериментальных условиях, с тем же количеством CdS и CdSe композиции, но с чистым, с золотым покрытием сапфировое стекло в качестве подложки вместо ZnO ​​осажденным слайде.

2. Морфологические и кристалографически Характеристика

  1. Установить образец на стадии SEM с зажимом и поместить образец в вакуумной камере прибора SEM. Возьмите SEM изображения на режиме высокого разрешения с рабочим расстоянием 12,0 мм при напряжении 3 кВ и увеличением между 3,000X и 10,000X 11,12.
  2. Возьмем данные EDS с той же пробе с помощью рентгеновского детектора, на таком же рабочем расстоянии12,0 мм. Установите прибор в режим анализа и регулировать напряжение до 20 кВ, в результате чего ток от 20 до 40 мкА 13.
  3. Сбор спектров дифракции рентгеновских лучей на рентгеновской порошковой дифрактометре с использованием Cu отфильтрованного излучения Ка (λ = 1,5418 Å) 11,12.

3. Спектроскопия PL выбросов и с временным разрешением измерений времени жизни PL

Примечание: спектры ФЛ и подсчета одиночных фотонов с корреляцией по времени измерения (TCSPC) при комнатной температуре были проведены с использованием амплифицированного Ti: сапфировый генератор после генерации второй гармоники (ГВГ), производя поезд 50 фс импульсов, сосредоточенных на 400-нм длиной волны и с выходной мощностью 1,76 мВт 14.

  1. Закрепите образец в держателе образца, который позиционирует образец лицевой стороной вверх к лазеру и к детектору. Совместите лазер, чтобы сосредоточиться на образце. Измерение спектров излучения ФЛ образцов от 500 нм до 900 нм длин волн с использованием волоконно-спектрометра.
  2. С помощью детектора однофотонный (AVAlanche фотодиод или фотоэлемент) для измерения с временным разрешением PL времен жизни с цветным стеклянным фильтром и помех полосовой фильтр 500- или 650-нм.
  3. Вставьте ZnO, CdSSe или ZnO / CdSSe слайды в держатель образца. Измерьте чистые ZnO нанопроводов с полосовым фильтром 500 нм и CdSSe или ZnO / CdSSe образцов с полосовым фильтром 650 нм.
  4. Используйте корреляцией по времени одного счетчика фотонов или быстрый осциллограф для измерения времени с разрешением времени жизни затухания флюоресценции.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 1 показан механизм роста ZnO / CdSSe нТ. Процедура включала каталитический пар-жидкость-твердое процесс (VLS), а затем (VS) рост некаталитическая пар-твердое вещество. На первом этапе ПЖК, ZnO и С реагируют в атмосфере аргона, в результате чего металлический цинк и оксид углерода. Zn, затем растворяется в золотом предшественника на подложке из сапфира. ZnO нанопроволоки растут из растворенного Zn и остаточного кислорода. На втором этапе, воздействие воздуха пр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Вертикальное выравнивание ZnO нанопроводов (ветках) основан на эпитаксии на подложке. ZnO нанопроволоки растут преимущественно вдоль <0001> направлении , которое совпадает с периодичностью в плоскости сапфира 12. Таким образом, тип и качество подложки очень важны. Различные толщины золотого покрытия на подложке, от 5 нм до 20 нм, были испытаны и не показали существенной разницы в росте ZnO нанопроводов. Длина ZnO нанопроводов можно регулировать путем изменения количества смеси ZnO / C, которая используе...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Данные и цифры в этой статье приводятся из литературы в области нанотехнологий Ли и др. , 17.

Благодарности

Авторы благодарят Svilen Bobev за помощь спектров РСА и К. Booksh для помощи с оборудованием нанесения покрытий распылением.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ZnOSigma Aldrich1314-13-2
Активированный угольAlfa231-153-3
CdSeSigma Aldrich1306-24-7
CdSSigma Aldrich1306-23-6
СапфирMTI2SPa-plane, 10 × & 10 × 1 мм
ПечьLindberg Blue MSSP
Сканирующий электронный микроскопHitachiS5700в сборе с рентгеновским детектором Oxford Inca X-act
рентгеновским порошковым дифрактометромRigakuMiniFlexс фильтрацией Cu Kα излучение (λ=1.5418  &Аринг;)
Усиленный Ti:сапфировый генераторCoherent MantisCoherent Legend-Elite
Модуль детектирования одиночных фотоновID QuantiqueID-100
Sputter coaterCressington308в сборе с золотой мишенью
Волоконный зондовый спектрометрУправление фотонамиSPM-002
Фильтр из цветного стеклаThorlabsFGB37-A - & Ослаш; 25 мм BG40AR Покрытие: 350 - 700  нм
Сжатый газ аргонKeen7440-37-1

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Нанопроволоки ZnOветви CdSSeхимическое осаждение из газовой фазысканирующая электронная микроскопиярентгеновская порошковая дифракцияэнергодисперсионная рентгеновская спектроскопияфотолюминесцентная спектроскопиягетеропереход II типапоглощение видимого светаперенос заряда
Синтез Иерархическая ZnO / CdSSe гетероструктуре Nanotrees
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.