계층의 ZnO / CdSSe 헤테로 Nanotrees의 합성

요약

여기, 우리는 CdSSe 가지가 수직으로 정렬 된 ZnO 나노 와이어의 성장 소설 나무와 같은 계층의 ZnO / CdSSe 나노 구조를 준비하고 특징. 얻어진 nanotrees 태양 에너지 변환 및 다른 광전자 기기에 대한 잠재적 인 재료이다.

초록

두 단계의 화학 기상 증착 방법이 여기에 트리 형 계층의 ZnO / CdSSe 헤테로 - 나노 구조물을 제조하는데 사용된다. 수직 구조는 투명한 사파이어 기판 상에 정렬 된 ZnO 나노 와이어 성장 CdSSe 가지로 구성된다. 형태는 주사 전자 현미경을 통해 측정 하였다. 결정 구조는 X 선 분말 회절 분석에 의해 측정 하였다. ZnO의 양이 줄기 CdSSe 분기 주로 우르 자이 트 결정 구조를 갖는다. CdSSe 지점에서 S 및 Se 몰비는 에너지 분산 X 선 분광법에 의해 측정 하였다. CdSSe 분기 강한 가시광 흡수를 초래한다. 광 발광 (PL) 스펙트럼은 줄기와 가지 유형-II의 이종 접합을 형성하는 것으로 나타났다. 개개의 ZnO로부터 방출 CdSSe 줄기 또는 가지로 비교 CdSSe 및 ZnO의 사이에 고속의 전하 전송을 나타내는 경우 PL 수명 측정은 나무에서 발광 수명의 감소를 보였다. VERTI으 배향 된 ZnO 기판에 직접 전자 전달 경로를 제공하고, 가시광에 의한 광 여기 후 효과적인 전하 분리를 허용 유래한다. 상술 한 특성의 조합 된 ZnO / CdSSe 태양 전지, 광촉매 및 광전자 소자에 응용 프로그램에 대한 유망한 후보를 nanotrees 수 있습니다.

서문

ZnO를 3.3 EV의 밴드 갭 (BG), 고 전자 이동도 및 큰 여기자 바인딩 에너지 ^1,2 갖춘 II-VI 반도체이다. 그것은 광학 장치의 현재와 미래의 응용 프로그램, 태양 전지, 광촉매의 과다와 풍부한 반도체 물질이다. 그러나, ZnO의 가시 스펙트럼 범위에서의 적용을 제한하는 투명합니다. 따라서, 좁은 갭 반도체 ^(3), 염료 분자 ⁽⁴⁾ 및 감광성 중합체 ^5와 같은 가시 광선을 흡수하는 재료는, 자주 가시광 흡수의 ZnO 민감 위해 사용되어왔다.

CD에 (BG 2.43 EV)과의 CdSe (BG 1.76 eV의)는 일반적인 II-VI 좁은 갭 반도체이고 집중적으로 조사되었다. 삼원 합금 CdSSe의 BG 및 격자 매개 변수는 VI 성분 ^-6,7-의 몰비를 변화시킴으로써 조절 될 수있다. ZnO의 / CdSSe 나노 복합 재료는 효율적인 photov 결과보고되었다oltaic 에너지 변환 ^8,9.

CdSSe 분기 향상된 가시광 흡수성을 갖는 기판으로 수직 배향 된 ZnO 나노 와이어의 효율적인 전자 이동 경로를 결합하여 줄기와 가지 ^9,10 사이의 효율적인 전자 전달되었다. 따라서, 우리는 수직으로 정렬 된 ZnO 나노 와이어가 CdSSe 가지로 장식되어 새로운 트리 형의 ZnO / CdSSe의 나노 구조를 합성. 이 복합 재료는 신규 태양 에너지 변환 장치를위한 빌딩 블록으로서 작용할 수있다.

이 프로토콜의 ZnO 나노 와이어 어레이는 이전 ¹¹ 출판 된 절차에 따라, ZnO의 분체 및 C로부터 한 단계 화학 기상 증착 (CVD)에 의해 사파이어 기판 상에 성장하는 방법을 설명한다. 된 ZnO 나노 와이어의 성장에 따라, CVD의 제 2 단계의 산화 아연 나노 와이어 CdSSe 분기 성장이 사용된다. 우리는 X 선 분말 회절 (XRD), 주사 전자 현미경 (SEM) 등을 사용에너지 분산 형 X 선 분광법 (EDS)은 산화 아연 / CdSSe의 nanotrees (NTS)의 결정 구조, 형태, 및 조성물을 측정한다. 분기와 스템 사이의 광학 특성 및 전하 캐리어 운송기구는 광 발광 (PL) 스펙트럼 및 시간 - 분해 PL 수명 측정에 의해 연구되었다.

프로토콜

(1)의 합성 트리 모양의 ZnO의 / CdSSe 나노 구조

1. 사파이어 기판의 전처리 및 골드 코팅
   주 : 금막가 된 ZnO 나노 와이어의 성장의 촉매 역할을한다.
   1. 초음파 5 분 99.5 % 에탄올 깨끗 슬라이드 사파이어 (a면, 10 × 10 × 1mm)을 금의 스퍼터링 용 기판을 제조 하였다.
   2. 스퍼터 코터와 골드 대상으로 사파이어 슬라이드에 10 나노 미터 (± 2 ㎚) 금의 두께의 필름을 증착.
2. 산화 아연 나노 와이어의 합성
   주 : 초음파 단계 균질의 ZnO의 1.2.2 결과와 탄소 (ZnO를 / C) 혼합물. 혼합 후, 혼합물은 회색 컬러를 변경한다. 압밀 단계 1.2.3 공기의 혼합물과의 ZnO 및 탄소가 밀착되어 그 존재하지 않는 것을 보장한다. CVD 후, 산화 아연 나노 와이어의 흰색 필름면이 아래 배쪽으로 향, 기판 상에 증착되어야한다.
   1. 의 ZnO 나노 분말 및 액티브의 1g을 혼합ated 탄소 (50:50의 질량 분율) 10 ml의 99.5 %의 에탄올과 주걱으로 잘 저어.
   2. 30 분 동안 20 ºC 수조의 혼합물을 초음파 처리하고 80 ºC에서 ~ 5 시간 동안 오븐에서 건조시킨다.
   3. 알루미나 보트에서의 ZnO / C 혼합물을 넣고 주걱으로 잘 컴팩트.
   4. 금 코팅 된면이 아래로 향하게하여, 알루미나 보트의 상단에 골드 코팅 사파이어 슬라이드를 놓습니다. 수평 튜브로의 석영 관의 중심에 알루미나 보트 놓는다.
   5. 실온에서 40 SCCM (RT)의 유속으로 아르곤으로 1 시간 동안 석영 튜브를 제거. 80 ºC / 분의 속도로 900 ºC RT의 온도를 증가 및 아르곤 유속을 일정하게 유지한다.
   6. 2 시간 동안 900 ºC의 온도를 잡습니다. 고무 마개 기체 입구를 제거하여 양단에 석영 관을 열고 공기가 반응에 산소를 공급하는 튜브 들어가게.
   7. RU에 3 시간 동안 900 ºC에서 반응 온도를 유지bber 마개를 제거합니다. 10 ºC / 분의 속도로 실온까지 냉각.
   8. 보트와 노의 밖으로 슬라이드를 가져 가라.
3. 산화 아연 나노 와이어에 CdSSe 가지의 증착
   주 : CD의 알루미나 보트 / SE는 중앙 석영 관에 표시 하였다. 제조 된 산화 아연 나노 와이어는 위를 향하고 보트에서 10cm 하류이었다 하였다. 이 두 번째 CVD 후, ZnO의 / CdSSe 나노 구조체 인 오렌지 / 옐로우 필름, 슬라이드에 부착해야한다.
   1. CD와의 CdSe (CDS / SE) 분말도 (50 : 50의 질량 분율) 0.5 g을 혼합하고 알루미나 보트에 혼합물을 배치합니다. 잘 혼합물을 압축.
   2. CdS와 / 셀레늄의 알루미나 보트와 석영 관에서 이전에 제조 된 ZnO 나노 와이어 샘플을 놓습니다.
   3. 1 시간 동안 실온에서 40 sccm의 유량으로 아르곤과 튜브를 제거. 80 ºC / min의 속도로 820 ºC로 반응 온도를 높입니다. 30 분 동안 820 ºC의 온도를 잡습니다.
   4. 에서 실온까지 냉각10 ºC / 분. 보트와 노의 밖으로 슬라이드를 가져 가라.
4. 의 ZnO 및 CdSSe 나노 와이어 : 제어 샘플의 합성
   1. 같은 실험 조건 섹션 1.2에서와 같이 산화 아연 나노 와이어를 합성.
   2. CD와의 CdSe 조성물 동일한 양으로, 동일한 실험 조건 하에서, 1.3 절과 CdSSe 나노 와이어의 합성, 대신에 ZnO를 증착 슬라이드 기판으로서 깨끗하고, 금 - 코팅 된 사파이어 슬라이드.

2. 형태 학적 및 결정학 특성

1. 클램프와 SEM 무대에서 샘플을 탑재하고 SEM 장비의 진공 챔버에서 샘플을 배치합니다. 3 kV의 전압에서의 12.0 mm의 작업 거리, 3,000 및 10000 ^{(11, 12)} 사이의 배율 고 해상도 모드의 SEM 이미지를 가라.
2. 동일한 작업 거리에서 X 선 검출기를 사용하여 동일한 샘플 EDS 데이터를 받아12.0 mm. 분석 모드로 기기를 설정하고 20-40 μA ^(13)의 현재의 결과, 20 kV의에 전압을 조정합니다.
3. 여과의 Cu Kα 방사선 (λ = 1.5418 Å) ^{(11, 12)를} 사용하여 X 선 분말 회절에 XRD 스펙트럼을 수집한다.

3. PL 방출 분광학 및 시간 해결 PL 수명 측정

참고 : PL 스펙트럼 및 시간 상관 단일 광자 계수는 실온에서 (TCSPC) 측정가 티 증폭 사용하여 수행 하였다 : 400 nm 파장을 중심으로 50 FSEC 펄스의 기차를 생산하고, 두 번째 고조파 세대 (SHG) 후 사파이어 발진기 및 1.76의 출력 ¹⁴ mW의.

1. 레이저까지와 검출기에 표본면을 배치 샘플 홀더에 샘플을 수정합니다. 샘플에 초점을 레이저를 맞 춥니 다. 섬유 분광계를 사용하여 900 nm의 파장으로 500 nm 내지 샘플의 PL 방출 스펙트럼을 측정한다.
2. (AVA 단일 광자 검출기를 사용하여lanche 포토 다이오드 또는 광전관)은 컬러 유리 필터 및 500 또는 650 nm의 간섭 대역 통과 필터와 시분 PL 수명을 측정 하였다.
3. 삽입 된 ZnO, CdSSe, 또는 ZnO의 / CdSSe 샘플 홀더에 슬라이드. 500 nm의 대역 통과 필터와 650 나노 미터 대역 통과 필터와 CdSSe 또는 ZnO의 / CdSSe 샘플 순수의 ZnO 나노 와이어를 측정한다.
4. 시간 해결 형광 붕괴 수명을 측정하는 시간 상관 단일 광자 계수기 또는 빠른 오실로스코프를 사용합니다.

결과

도 1의 ZnO / CdSSe NTS의 성장 메커니즘을 나타낸다. 절차는 비 촉매 증기 - 고체 (VS)의 성장에 이어 촉매 증기 - 액체 - 고체 (VLS) 공정을 포함했다. 제 VLS 공정에서의 ZnO 및 C 금속성 아연과 탄소 산화물의 결과로, 아르곤 분위기 하에서 반응한다. 아연이어서, 사파이어 기판 상에 금 전구체에 용해시킨다. 의 ZnO 나노 와이어는 용해 아연 및 잔류 산소에서 성장. 두 ?...

토론

된 ZnO 나노 와이어 (줄기)의 수직 정렬은 기판 상에 에피 택셜 성장에 기초한다. 된 ZnO 나노 와이어는 사파이어 ^(12)의 A면의주기와 일치하는 <0001> 방향을 따라 우선적으로 성장한다. 따라서, 유형 및 기판의 품질이 매우 중요하다. 5 nm 내지 20의 기재에 금 코팅의 두께가 다른, 테스트와의 ZnO 나노 와이어의 성장에 유의 한 차이를 보이지 않았다되었다. 산화 아연 나노 와이어의 길이는 ?...

자료

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