Síntese de hierárquicos ZnO / CdSSe heterostructure Nanotrees

Resumo

Aqui, nós preparar e caracterizar novos hierárquicos nanoestruturas de ZnO / CdSSe árvore-like, onde ramos CdSSe são cultivadas em nanofios de ZnO alinhados verticalmente. Os nanotrees resultantes são um material potencial para a conversão de energia solar e outros dispositivos opto-electrónicos.

Resumo

Um procedimento de deposição de vapor químico de duas etapas é aqui empregue para preparar hierárquicos ZnO / CdSSe hetero-nanoestruturas de árvore. As estruturas são compostas por ramos CdSSe cultivadas em nanofios de ZnO que estão verticalmente alinhados sobre um substrato de safira transparente. A morfologia foi medida através de microscopia eletrônica de varredura. A estrutura cristalina foi determinada por análise de difracção de pó de raios-X. Tanto o ZnO caule e ramos CdSSe tem uma estrutura de cristal predominantemente wurtzita. A proporção molar de S e Se, nos ramos CdSSe foi medido por espectroscopia de raios X de energia dispersiva. Os ramos CdSSe resultar em forte absorção de luz visível. Fotoluminescência (PL) espectroscopia mostraram que o caule e dos ramos formam um heterojun�o tipo II. medições vida PL mostraram uma diminuição no tempo de vida de emissão das árvores, quando em comparação com a emissão de ZnO hastes individuais ou ramos CdSSe e indicar rápida transferência de carga entre CdSSe e ZnO. o verticamente alinhados ZnO hastes proporcionar uma via de transporte de electrões directamente para o substrato e para permitir a separação de carga eficiente após fotoexcitação pela luz visível. A combinação das propriedades acima mencionadas faz ZnO / CdSSe nanotrees candidatos promissores para aplicações em células solares, fotocatálise, e dispositivos opto-electrónicos.

Introdução

ZnO é um semicondutor II-VI com um gap (BG) de 3,3 eV, uma alta mobilidade de elétrons e um ^1,2 energia de ligação grande éxciton. É um material semicondutor abundante com uma infinidade de aplicações presentes e futuras em dispositivos ópticos, células solares, e fotocatálise. No entanto, ZnO é transparente, o que limita a sua aplicação na gama espectral visível. Portanto, materiais absorventes de luz visível, tais como semicondutores narrow-gap ^3, moléculas de corante ^4, e polímeros fotossensíveis ^5, têm sido frequentemente utilizados para sensibilizar ZnO a absorção de luz visível.

CDs (BG 2,43 eV) e CdSe (BG 1,76 eV) são comuns II-VI semicondutores narrow-gap e têm sido intensamente investigados. Os parâmetros de BG e gelosia da liga ternária CdSSe pode ser ajustado através da variação das razões molares dos componentes VI ^6,7. nanocompósitos ZnO / CdSSe ter sido relatada como resultando em photov eficienteconversão de energia oltaic ^8,9.

Combinando a via de transporte de elétrons eficiente de nanofios de ZnO alinhados verticalmente contra um substrato com a absorção de luz visível melhoria dos ramos CdSSe levou à transferência de elétrons eficiente entre o caule e ramos ^9,10. Assim, sintetizamos uma nova árvore-como ZnO / CdSSe nanoestrutura, onde nanofios de ZnO alinhados verticalmente são decorados com ramos CdSSe. Este material compósito pode actuar como um bloco de construção de novos dispositivos de conversão de energia solar.

Este protocolo descreve como matrizes de nanofios de ZnO são cultivados num substrato de safira por deposição de vapor químico de um passo (DCV) a partir de pós de ZnO e C, seguindo um procedimento que foi anteriormente publicado a ^11. Seguindo o crescimento de nanofios de ZnO, um segundo passo de DCV é empregue para crescer em ramos CdSSe os nanofios de ZnO. Empregamos de difracção de raios-X em pó (XRD), microscopia electrónica de varrimento (SEM), eespectroscopia de raios-X de energia dispersiva (EDS) para medir a estruturas de cristal, morfologia e composição das nanotrees ZnO / CdSSe (NTs). O mecanismo de transferência de propriedades ópticas e carga transportadora entre os ramos e caule foram investigados por fotoluminescência (PL) espectroscopia e as medições ao longo da vida PL resolvidas no tempo.

Protocolo

1. Síntese de árvore-como ZnO / CdSSe Nanoestruturas

1. O pré-tratamento e ouro revestimento de substratos de safira
   NOTA: O filme de ouro actua como um catalisador no crescimento dos nanofios de ZnO.
   1. lâminas de safira limpa (a-avião, 10 × 10 × 1 mm) em 99,5% de etanol com 5 min de sonicação para preparar o substrato para Au pulverização catódica.
   2. Depositar a 10 nm (± 2 nm) filme -grossa de ouro nas lâminas de safira com um revestidor por crepitação e alvo de ouro.
2. Síntese de nanofios de ZnO
   NOTA: O passo de sonicação 1.2.2 resulta em uma ZnO homogênea e carbono (/ C ZnO) mistura. Após a mistura, a mistura muda para uma cor cinza. A etapa de compactação 1.2.3 garante que nenhum ar está presente na mistura e que o ZnO e carbono estão em contato próximo. Depois de DCV, uma película branca de nanofios de ZnO deve ser depositado sobre o substrato, lado voltado para baixo para o barco.
   1. Misture 1 g de nanopowder ZnO e activated carbono (fracção de massa de 50:50) em 10 ml de etanol a 99,5% e agita-se bem com uma espátula.
   2. Sonicar a mistura num banho de água a 20 ºC durante 30 min, e em seguida secá-lo numa estufa durante ~ 5 horas a 80 ºC.
   3. Coloque a mistura de ZnO / C numa barquinha de alumina e compacta-lo bem com uma espátula.
   4. Colocar as lâminas de safira revestido a ouro no topo da barquinha de alumina, com o lado revestido a ouro voltado para baixo. Coloque a barquinha de alumina no centro do tubo de quartzo num forno tubular horizontal.
   5. Purga-se o tubo de quartzo, durante 1 h com atmosfera de Ar a uma taxa de fluxo de 40 sccm à temperatura ambiente (RT). Aumentar a temperatura de RT a 900 ° C a uma taxa de 80 ° C / min e manter constante a taxa de fluxo de árgon.
   6. Mantenha a temperatura a 900 ° C durante 2 horas. Abrir o tubo de quartzo em ambas as extremidades, removendo as entradas de gás e de rolha de borracha que o ar entre o tubo para fornecer oxigénio para a reacção.
   7. Manter a temperatura da reacção a 900 ° C durante 3 h com o RUrolhas bber removido. Arrefecer até à TA, a uma taxa de 10 ° C / min.
   8. Pegue o barco e deslizar para fora do forno.
3. Deposição de ramos CdSSe em nanofios de ZnO
   NOTA: O barco de alumina do CDS / Se foi apresentada no centro do tubo de quartzo. Os nanofios de ZnO foram preparadas virada para cima, e foram de 10 cm a jusante a partir do barco. Após esta segunda DCV, uma laranja / filme amarelo, que é a nanoestrutura ZnO / CdSSe, deve ser depositada sobre a lâmina.
   1. Misture 0,5 g de CDs e CdSe (CDS / Se) bem pó (fração de massa de 50:50) e coloque a mistura em um barco de alumina. Compactar bem a mistura.
   2. Coloque o barco alumina do CDS / SE e da amostra de ZnO nanofio previamente preparado no tubo de quartzo.
   3. Purga-se o tubo com atmosfera de Ar a uma taxa de fluxo de 40 sccm à TA durante 1 h. Aumentar a temperatura de reacção para 820 ° C a uma taxa de 80 ° C / min. Mantenha a temperatura a 820 ° C durante 30 min.
   4. Arrefecer até à RT emuma taxa de 10 ° C / min. Pegue o barco e deslizar para fora do forno.
4. Síntese das amostras de controlo: ZnO e CdSSe nanofios
   1. Sintetizar nanofios de ZnO como na secção 1.2, sob as mesmas condições experimentais.
   2. Sintetizar nanofios CdSSe como no ponto 1.3, sob as mesmas condições experimentais, com a mesma quantidade de CDs e composição CdSe, mas com, um slide de safira revestido a ouro limpo como substrato em vez do slide depositados-ZnO.

2. morfológica e cristalográfica Caracterização

1. Montar a amostra na fase SEM com uma braçadeira e colocar a amostra na câmara de vácuo do instrumento SEM. Tome imagens de MEV no modo de alta resolução com uma distância de trabalho de 12,0 mm a uma tensão de 3 kV e uma ampliação entre 3,000X e 10.000 vezes ^11,12.
2. Tome dados de EDS com a mesma amostra usando o detector de raios-X à mesma distância de trabalho de12.0 mm. Ajustar o instrumento para o modo de análise e ajustar a tensão de 20 kV, resultando em uma corrente de 20 a 40 uA ^13.
3. Recolhe espectros de DRX, em um difractómetro de pó por raios-X usando radiação Cu Ka filtrada (λ = 1,5418 Â) ^11,12.

3. PL Espectroscopia de Emissão e Medidas Lifetime PL resolvida no tempo

Observação: Os espectros de PL e contagem de fotão único correlacionados em tempo (TCSPC) medições a RT foram realizadas utilizando um amplificado Ti: oscilador safira após a segunda geração de harmónica (SHG), a produção de um trem de 50 impulsos FSEC centrado no comprimento de onda de 400 nm e com uma potência de saída de 1,76 mW ^14.

1. Fixar a amostra num suporte de amostras que posiciona a face da amostra até o laser e o detector. Alinhar o laser para focar a amostra. Medir o espectro de emissão PL das amostras a partir de 500 nm, comprimentos de onda de 900 nm utilizando um espectrómetro de fibra.
2. Use um detector de fóton único (avalanche foto diodo ou phototube) para medir vidas PL resolvidas no tempo com um filtro de vidro de cor e um filtro de interferência de banda de 500 ou 650 nm.
3. Inserir ZnO, CdSSe ou ZnO / CdSSe desliza no suporte da amostra. Meça os nanofios de ZnO puros com o filtro de banda de 500 nm e as amostras CdSSe ou ZnO / CdSSe com um filtro de banda de 650 nm.
4. Usar um contador de fóton único correlacionados em tempo ou um osciloscópio rápido para medir o tempo de vida de fluorescência de decaimento resolvidas no tempo.

Resultados

A Figura 1 mostra o mecanismo de crescimento de ZnO / NTs CdSSe. O procedimento envolveu um processo catalítico de vapor-líquido-sólido (VLS), seguido por um crescimento de vapor-sólido não catalítico (VS). No primeiro passo VLS, ZnO e C reagem na atmosfera de Ar, resultando em Zn metálico e óxido de carbono. Zn é subsequentemente dissolvido no precursor de ouro no substrato de safira. nanofios de ZnO crescer a partir do Zn dissolvido e oxigênio residual. No se...

Discussão

O alinhamento vertical das nanofios de ZnO (hastes) baseia-se no crescimento epitaxial sobre o substrato. Nanofios de ZnO crescer preferencialmente ao longo da <0001> direção que combina com a periodicidade de um plano de safira ^12. Portanto, o tipo e a qualidade do substrato são muito importantes. Diferentes espessuras do revestimento de ouro no substrato, a partir de 5 nm a 20 nm, foram testados e mostraram nenhuma diferença significativa no crescimento de nanofios de ZnO. O comprimento dos nanofi...

Materiais

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