Synthèse du hiérarchique ZnO / CdSSe hétérostructure Nanotrees

Résumé

Ici, nous préparons et caractériser de nouveaux hiérarchiques nanostructures ZnO / CdSSe arborescentes, où les branches CdSSe sont cultivées sur des nanofils de ZnO alignés verticalement. Les nanotrees résultants sont un matériau potentiel pour la conversion de l'énergie solaire et d'autres dispositifs opto-électroniques.

Résumé

Une procédure en deux étapes de dépôt chimique en phase vapeur est employé ici pour préparer hiérarchiques ZnO / CdSSe hétéro-nanostructures arborescentes. Les structures sont constituées de branches CdSSe cultivées sur des nanofils de ZnO qui sont alignés verticalement sur un substrat de saphir transparent. La morphologie a été mesurée par microscopie électronique à balayage. La structure cristalline a été déterminée par analyse aux rayons X de poudre de diffraction. À la fois la tige de ZnO et les branches CdSSe ont une structure cristalline majoritairement wurtzite. Le rapport molaire de S et Se dans les branches CdSSe a été mesurée par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie. Les branches CdSSe conduisent à une forte absorption de la lumière visible. Photoluminescence (PL) spectroscopie a montré que la tige et les branches forment une hétérojonction de type II. mesures à vie PL ont montré une diminution de la durée de vie d'émission des arbres par rapport aux émissions de ZnO individuelle tiges ou branches CdSSe et indiquer le transfert de charge rapide entre CdSSe et ZnO. Le vertiment aligné ZnO vient fournir une voie de transport d'électrons direct vers le substrat et permettre la séparation de charge efficace après photoexcitation par la lumière visible. La combinaison des propriétés mentionnées ci-dessus rend ZnO / CdSSe nanotrees candidats prometteurs pour des applications dans les cellules solaires, photocatalyse, et des dispositifs opto-électroniques.

Introduction

ZnO est un semi - conducteur II-VI , avec une largeur de bande (BG) de 3,3 eV, une grande mobilité d'électrons, et un ^1,2 de l' énergie de liaison grande exciton. Il est un matériau semi-conducteur abondante avec une pléthore d'applications actuelles et futures dans des dispositifs optiques, cellules solaires, et photocatalyse. Cependant, le ZnO est transparent, ce qui limite son application dans le domaine spectral visible. Par conséquent, les matériaux absorbant la lumière visible, tels que les semi - conducteurs à intervalle étroit ^3, des molécules de colorant ^4, et les polymères photosensibles ^5, ont souvent été utilisées pour sensibiliser ZnO à l' absorption de la lumière visible.

CdS (BG 2,43 eV) et CdSe (BG 1,76 eV) sont des semi-conducteurs II-VI étroite gap communs et ont été intensivement étudiés. Les paramètres de BG et de réseau de l'alliage ternaire CdSSe peuvent être ajustées en faisant varier les rapports molaires des composants VI ^6,7. nanocomposites ZnO / CdSSe ont été signalés à entraîner PHOTOV efficaceconversion d'énergie oltaic ^8,9.

La combinaison de la voie de transport d'électrons efficace des nanofils de ZnO alignés verticalement vers un substrat à l'amélioration de l' absorption de la lumière visible des branches CdSSe conduit à un transfert d'électrons efficace entre la tige et les branches ^9,10. Ainsi, nous avons synthétisé une nouvelle ZnO / CdSSe nanostructure en forme d'arbre, où les nanofils de ZnO alignés verticalement sont décorées avec des branches CdSSe. Ce matériau composite peut servir de bloc de construction pour de nouveaux dispositifs solaires de conversion d'énergie.

Ce protocole décrit la façon dont des réseaux de nanofils de ZnO sont cultivées sur un substrat de saphir par une étape de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à partir de poudres de ZnO et C, à la suite d' une procédure qui a été précédemment publiée ^11. À la suite de la croissance de nanofils de ZnO, une deuxième étape de CVD est utilisée pour pousser les branches CdSSe sur les nanofils de ZnO. Nous utilisons des rayons X sur poudre de diffraction X (XRD), microscopie électronique à balayage (SEM), etspectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS) pour mesurer la structure cristalline, la morphologie et la composition des nanotrees ZnO / CdSSe (NTS). Le mécanisme de transfert des propriétés optiques et des porteurs de charge entre les branches et les tiges ont été étudiées par photoluminescence (PL) spectroscopie et PL mesures de durée de vie en temps résolu.

Protocole

1. Synthèse de l'Arbre-like ZnO / CdSSe Nanostructures

1. Prétraitement et or revêtement de substrats de saphir
   NOTE: Le film d'or agit comme un catalyseur dans la croissance des nanofils de ZnO.
   1. Nettoyer les lames de saphir (un avion, 10 x 10 x 1 mm) à 99,5% d'éthanol avec 5 min de sonication pour préparer le substrat pour Au pulvérisation.
   2. Déposez 10 nm (± 2 nm) film -thick d'or sur les lames de saphir avec une coucheuse de pulvérisation et la cible de l'or.
2. Synthèse de nanofils de ZnO
   NOTE: L'étape de sonication 1.2.2 résultats dans un ZnO homogène et carbone (/ ZnO C) mélange. Après le mélange, le mélange se transforme en une couleur grise. L'étape de compactage 1.2.3 assure que l'air est présent dans le mélange, et que le ZnO et le carbone sont en contact étroit. Après CVD, un film blanc de nanofils de ZnO doit être déposé sur le substrat, le côté orienté vers le bas en direction du bateau.
   1. Mélanger 1 g de ZnO nanopoudres et activcarbone ATED (fraction massique de 50:50) dans 10 ml d'éthanol à 99,5% et bien mélanger avec une spatule.
   2. Soniquer le mélange dans un bain d'eau à 20 ° C pendant 30 min, puis le sécher dans un four pendant environ 5 heures à 80 ºC.
   3. Placer le mélange ZnO / C dans une nacelle en alumine et compacter avec une spatule.
   4. Placer les lames de saphir revêtues d'or au-dessus de la nacelle d'alumine, avec le côté revêtu d'or vers le bas. Placer la nacelle en alumine dans le centre du tube en quartz dans un four tubulaire horizontal.
   5. Purger le tube de quartz pendant 1 heure avec Ar à un débit de 40 sccm à température ambiante (TA) d'écoulement. Augmenter la température de RT à 900 ° C à une vitesse de 80 ° C / min et maintenir constant le débit d'argon.
   6. Maintenez la température à 900 ° C pendant 2 heures. Ouvrir le tube de quartz sur les deux extrémités en enlevant les entrées de gaz d'arrêt en caoutchouc et de laisser l'air entrer dans le tube pour fournir de l'oxygène pour la réaction.
   7. Maintenir la température de réaction à 900 ° C pendant 3 heures avec le rubouchons bBER enlevés. Refroidir à la température ambiante à une vitesse de 10 ° C / min.
   8. Prenez le bateau et la glissière hors du four.
3. Le dépôt de branches CdSSe sur des nanofils de ZnO
   NOTE: Le bateau d'alumine de CdS / S'est affiché au centre du tube de quartz. Les nanofils de ZnO ont été préparés et ont été orientées vers le haut de 10 cm en aval du bateau. Après cette deuxième CVD, une orange / pellicule jaune, qui est la nanostructure ZnO / CdSSe, doit être déposé sur la diapositive.
   1. Mélanger 0,5 g de CdS et CdSe (CdS / Se) bien en poudre (fraction massique de 50:50) et placer le mélange dans une nacelle en alumine. Compacter le mélange bien.
   2. Placer la nacelle d'alumine de CdS / Se et ZnO l'échantillon de nanofils préparé précédemment dans le tube de quartz.
   3. Purger le tube avec Ar à un débit de 40 sccm à température ambiante pendant 1 h. Augmenter la température de réaction à 820 ° C à une vitesse de 80 ° C / min. Maintenez la température à 820 ° C pendant 30 min.
   4. Refroidir à la température ambiante àun taux de 10 ºC / min. Prenez le bateau et la glissière hors du four.
4. Synthèse des échantillons de contrôle et CdSSe: ZnO nanofils
   1. Synthétiser nanofils de ZnO comme dans la section 1.2 dans les mêmes conditions expérimentales.
   2. Synthétiser nanofils CdSSe comme dans la section 1.3, dans les mêmes conditions expérimentales, avec la même quantité de CdS et CdSe composition, mais avec un saphir coulissant revêtu d'or pur comme substrat au lieu de la lame de ZnO déposée.

2. Caractérisation morphologique et cristallographique

1. Monter l'échantillon sur la platine SEM avec une pince et placer l'échantillon dans la chambre à vide de l'appareil SEM. Prenez des images SEM sur le mode haute résolution avec une distance de travail de 12,0 mm à une tension de 3 kV et un grossissement entre 3,000X et ^11,12 10.000 fois .
2. Prendre des données d'EDS avec le même échantillon à l'aide du détecteur de rayons X à la même distance de travail12,0 mm. Régler l'appareil en mode d'analyse et d' ajuster la tension à 20 kV, ce qui entraîne un courant de 20 à 40 uA ^13.
3. Recueillir des spectres XRD sur un diffractomètre de rayons X sur poudre en utilisant le rayonnement Cu Ka filtré (λ = 1,5418 Å) ^11,12.

3. PL Emission Spectroscopy et résolue en temps PL Lifetime Measurements

REMARQUE: Les spectres de PL et de corrélation temporelle simple comptage de photons (TCSPC) des mesures à la température ambiante ont été effectuées en utilisant une amplification Ti: oscillateur saphir après génération du second harmonique (SHG), produisant un train de 50 impulsions FSEC centré à une longueur d'onde de 400 nm et avec une puissance de sortie de ¹⁴ mW 1,76.

1. Fixer l'échantillon dans un porte-échantillon qui positionne la face de l'échantillon jusqu'à le laser et le détecteur. Aligner le laser se concentrer sur l'échantillon. Mesurer les spectres d'émission des échantillons PL de 500 nm à des longueurs d'onde de 900 nm en utilisant un spectromètre à fibre optique.
2. Utilisez un détecteur de photon unique (avalanche photodiode ou phototube) pour mesurer le temps résolu vies PL avec un filtre en verre de couleur et un filtre passe-bande interférences 500- ou 650 nm.
3. Insérer ZnO, CdSSe ou ZnO / CdSSe glisse dans le porte-échantillon. Mesurer les nanofils de ZnO pur avec le filtre passe-bande à 500 nm et les échantillons CdSSe ou du ZnO / CdSSe avec un filtre passe-bande de 650 nm.
4. Utiliser un compteur de photons uniques en corrélation temporelle ou d'un oscilloscope rapide pour mesurer la durée de vie de fluorescence désintégration résolue en temps.

Résultats

La figure 1 montre le mécanisme de ZnO / NTS CdSSe de croissance. La procédure implique une vapeur-liquide-solide processus (VLS) catalytique suivie d'une croissance non catalytique vapeur-solide (VS). Dans la première étape VLS, ZnO et C réagissent dans l'atmosphère Ar, résultant en Zn métallique et d'oxyde de carbone. Zn est ensuite dissous dans le précurseur d'or sur le substrat de saphir. Les nanofils de ZnO se développent à partir du Zn et...

Discussion

L'alignement vertical des nanofils de ZnO (tiges) est basé sur une croissance épitaxiale sur le substrat. Les nanofils de ZnO croître de manière préférentielle le long de la direction <0001> qui correspond à la périodicité du plan d'un saphir ^12. Par conséquent, le type et la qualité du substrat, sont très importants. Les différentes épaisseurs de la couche d'or sur le substrat, de 5 nm à 20 nm, ont été testés et ont montré aucune différence significative dans la croissan...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
ZnO	Sigma Aldrich	1314-13-2
Activated Carbon	Alfa	231-153-3
CdSe	Sigma Aldrich	1306-24-7
CdS	Sigma Aldrich	1306-23-6
Sapphire	MTI	2SP	a-plane, 10 × 10 × 1 mm
Furnace	Lindberg Blue M	SSP
Scanning electron microscope	Hitachi	S5700	assembled with an Oxford Inca X-act detector
X-ray powder diffractometer	Rigaku	MiniFlex	filtered Cu Kα radiation (λ=1.5418 Å)
Amplified Ti:sapphire oscillator	Coherent Mantis	Coherent Legend-Elite
Single photon detection module	ID Quantique	ID-100
Sputter coater	Cressington	308	assembled with gold target
Fiber probe spectrometer	Photon Control	SPM-002
Colored Glass Filter	Thorlabs	FGB37-A - Ø25 mm BG40	AR Coated: 350 - 700 nm
Compressed argon gas	Keen	7440-37-1