Hiyerarşik ZnO / CdSSe Heteroyapı Nanotrees sentezi

Burada, CdSSe dalları dikey olarak hizalanmış ZnO nanotellerin yetiştirilen yeni ağaç benzeri hiyerarşik ZnO / CdSSe nano hazırlamak ve karakterize eder. Ortaya çıkan nanotrees güneş enerjisi dönüşüm ve diğer opto-elektronik cihazlar için potansiyel bir malzemedir.

İki aşamalı bir kimyasal buhar depozisyon yöntemi Burada ağaç gibi hiyerarşik ZnO / CdSSe hetero nano hazırlamak için kullanılır. yapılar dikey şeffaf safir alt tabaka üzerine hizalanmış ZnO nanotellerin yetiştirilen CdSSe şube oluşmaktadır. morfoloji taramalı elektron mikroskobu ile ölçüldü. Kristal yapı, X-ışını toz difraksiyon analizi ile belirlendi. Hem ZnO kök ve CdSSe dalları ağırlıklı olarak hekzagonal kristal yapıya sahiptir. CdSSe dallarında S ve Se mol oranı enerji dispersif X-ışını spektroskopi ile ölçülmüştür. CdSSe dalları mutlaka görülebilir ışık emilmesi ile sonuçlanır. Fotolüminesans (PL) spektroskopisi kök ve dalları bir tip-II heteroeklem oluşturduğunu gösterdi. Bireysel ZnO gelen emisyon kaynaklanıyor ya da CdSSe şubeleri ile karşılaştırıldığında ve CdSSe ve ZnO arasındaki hızlı şarj transferini işaret ettiği PL ömür boyu ölçümleri ağaçlardan emisyon ömrü bir azalma olduğunu gösterdi. vertiCally'nin hizalanmış ZnO substrata doğrudan elektron taşıma yolu sağlar ve görünür ışık photoexcitation sonrası etkili ücreti ayrımına izin kaynaklanmaktadır. Yukarıda belirtilen özelliklerin kombinasyonu ZnO / CdSSe güneş hücreleri, fotokataliz ve opto elektronik cihazlarda uygulamalar için umut verici adaylar nanotrees yapar.

ZnO 3.3 eV bir bant boşluk (BG), bir yüksek elektron hareketliliği ve büyük exciton bağlama enerjili ^1,2 özelliklerine sahip II-VI yarı iletkendir. Optik cihazlar mevcut ve gelecekteki uygulamalar, güneş pilleri ve fotokataliz bir bolluk ile bol yarı iletken malzemedir. Bununla birlikte, ZnO görünür spektral aralıkta uygulanmasını sınırlar saydamdır. Bu nedenle, dar aralık yarı iletkenler ^3, boya molekülleri ⁴ ve ışığa hassas polimerlere ⁵ olarak görünür ışık emici malzemeler, genellikle görülebilir ışık emilimi ZnO duyarlı için kullanılmıştır.

CdS (BG 2.43 eV) ve CdSe (BG 1.76 eV) ortak II-VI dar aralık yarı iletkenler ve yoğun incelenmiştir. Üçlü alaşım CdSSe BG ve kafes parametreleri VI bileşenlerine ^6,7 mol oranları değiştirilerek ayarlanabilir. ZnO / CdSSe nanokompozitler etkin photov sonuçlandığı bildirilmiştiroltaic enerji dönüşümü ^8,9.

CdSSe şube gelişmiş görünür ışık emilimi ile bir alt tabakaya doğru dikey olarak hizalanmış ZnO nanotellerinin verimli elektron taşıma yolu birleştiren gövde ve dallar ^9,10 arasında etkin elektron transferi yol açtı. Böylece, dikey olarak hizalanmış ZnO nanoteller CdSSe dalları ile dekore edilmiştir, yeni bir ağaç gibi ZnO / CdSSe nano yapısını, sentezlenmiş. Bu kompozit malzeme, yeni güneş enerjisi dönüşüm cihazları için bir yapı bloğu olarak hareket edebilir.

Bu protokol, ZnO nanotel dizileri, daha önce ¹¹ yayınlanmış olan bir prosedür takip edilerek ZnO ve Cı tozlardan tek aşamalı bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile bir safir alt-tabaka üzerinde yetiştirilen açıklamaktadır. ZnO nanotellerinin büyümesinin ardından, CVD ikinci aşama ZnO nanotellerin üzerinde CdSSe dalları büyümeye kullanılır. Bu X-ışını toz difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve istihdamEnerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ZnO / CdSSe nanotrees (NTS) kristal yapıları, morfolojisi ve bileşimini ölçmek için. şube ve kök arasındaki optik özellikleri ve yük taşıyıcı transfer mekanizması fotolüminesans (PL) spektroskopisi ve zamana bağımlı PL ömür boyu ölçümleri ile incelenmiştir.

1. sentezi Ağacı benzeri ZnO / CdSSe Nanoyapılar

1. Safir yüzeylerde tedavi öncesi ve altın kaplama
   Not: altın film ZnO nanotellerinin büyümesinde bir katalizör olarak hareket eder.
   1. sonikasyon 5 dakika ile% 99.5 etanol içinde temiz safir slaytlar (a-düzlemi, 10 x 10 x 1 mm) Au püskürtme için alt-tabaka hazırlanır.
   2. Bir püskürtmeli kaplayıcı ve altın hedefi safir Slaytlarınıza 10 nm (± 2 nm) altın um kalınlığındaki bir film oluşturur.
2. ZnO nanotellerinin sentezi
   NOT: Sonication adımı homojen bir ZnO 1.2.2 sonuçları ve karbon (ZnO / C) karışımı. Karıştırma işleminden sonra, karışım, gri bir renge dönüşür. sıkıştırma basamağı 1.2.3 hava karışımı içinde ve ZnO ve karbon yakın temas içinde olduğu, mevcut olmasını sağlar. CVD sonra ZnO nanotellerinin beyaz film tarafı aşağı tekneye doğru bakan, alt-tabaka üzerinde biriken olmalıdır.
   1. ZnO NANOPOWDER ve activ 1 g karıştırınbir- C (50:50 kütle payı), 10 mi% 99.5 etanol içinde bir spatula ile iyice karıştırın.
   2. 30 dakika boyunca 20 ° C'de bir su banyosu içinde sonikasyon karışımı, ve daha sonra 80 ° C'de ~ 5 saat için bir fırın içinde kurutun.
   3. Bir alümina tekne ZnO / C karışımı yerleştirin ve bir spatula ile iyice kompakt.
   4. altın kaplamalı yüzü aşağı bakacak şekilde, alümina tekne üstünde altın kaplı safir slaytlar yerleştirin. Bir yatay borulu fırında kuvars tüpün merkezinde alümin tekne yerleştirin.
   5. Oda sıcaklığında 40 sccm'lik (RT) 'in bir akış oranında Ar ile 1 saat süre ile kuvars tüp temizleyin. 80 ° C / dakikalık bir hızda 900 ° C oda sıcaklığında, sıcaklık artışları ve argon akış hızı sabit tutulması.
   6. 2 saat 900 ºC sıcaklık tutun. lastik tıpa gaz girişleri kaldırarak her iki ucunda kuvars tüp açın ve hava reaksiyonu için oksijen sağlamak için tüp girelim.
   7. ru olan 3 saat 900 ° C reaksiyon sıcaklığı tutmakgrafik çubuklarıyla bBER stoperler kaldırıldı. 10 ° C / dk'lık bir hızda oda sıcaklığına soğutun.
   8. tekne ve fırının dışına slayt atın.
3. ZnO nanotellerin üzerinde CdSSe şube Biriktirme
   NOT: CdS alümina tekne / Se merkezinde kuvars tüp sergilendi. hazırlanan ZnO nanoteller yukarı bakacak ve tekne 10 cm aşağı idi. bu ikinci CVD sonra ZnO / CdSSe nano bir sarı / portakal rengi bir film, bir slayt üzerine aktarılır.
   1. CdS ve CdSe (CdS / Se) toz kuyu (50:50 kütle fraksiyonu) 0.5 g karıştırın ve bir alümina tekne karışımı yerleştirin. iyi karışımı sıkıştırmak.
   2. CdS / Se alümina tekne ve kuvars tüp içinde önceden hazırlanmış ZnO nanotel örnek yerleştirin.
   3. 1 saat boyunca oda sıcaklığında 40 sccm'lik bir akış oranında Ar ile tüp temizleyin. 80 ° C / dakikalık bir hızda 820 ° C reaksiyon sıcaklığını arttırır. 30 dakika boyunca 820 ° C'de sıcaklık tutun.
   4. de RT kadar soğumasını10 ° C / dk'lık bir oranı. tekne ve fırının dışına slayt atın.
4. ZnO ve CdSSe nanotellerin: Kontrol örneklerinin sentezi
   1. Aynı deneysel koşullar altında Bölüm 1.2'de olduğu gibi ZnO nanoteller sentez.
   2. CdS ve CdSe kompozisyon aynı miktarda, aynı deney koşulları altında, bölüm 1.3 gibi CdSSe nanoteller sentez, ancak bunun yerine ZnO-yatırılır slayt substrat olarak temiz, altın kaplı safir slayt.

2. Morfolojik ve Kristalografik Karakterizasyonu

1. Bir kelepçe ile SEM sahnede örnek monte edin ve SEM enstrüman vakum odasında numuneyi yerleştirin. 3 kV gerilimde 12,0 mm çalışma mesafesi ve 3000X defa ve 10,000X ^11,12 arasında bir büyütme ile yüksek çözünürlüklü modu SEM görüntüleri çekmek.
2. Aynı çalışma mesafesi X-ışını detektörü kullanarak aynı numune ile EDS veri almak12.0 mm. Analiz moduna aleti ayarlayın ve 20-40 uA ¹³ bir akım ile sonuçlanan 20 kV voltaj ayarlayın.
3. Süzüldü Cu Ka radyasyonu (λ = 1,5418 Â), ^11,12 kullanan bir X-ışını toz difraktometresi ile XRD spektrumu toplayın.

3. PL Emisyon Spektroskopisi ve Zaman çözülmesi PL Ömür Ölçümleri

Not: PL spektrumu ve zaman dekorele tek foton sayma oda sıcaklığında (TCSPC) ölçümleri, bir Ti güçlendirilmiş kullanılarak gerçekleştirilmiştir: 400 nm dalga boyunda merkezli 50 FSEC puls dizileri üreten ikinci harmonik üretimi (SHG) sonra, safir osilatörün ve 1.76 bir çıkış gücü mW ^14.

1. lazer kadar ve dedektör örnek yüzünü konumlandırır örnek tutucu içine örnek sabitleyin. örnek üzerinde odaklanmak için lazer hizalama. fiber spektrometresi kullanılarak 900 nm dalga boylarında 500 nm numunelerin PL emisyon spektrumları ölçün.
2. (Ava tek foton dedektörü kullanınlanche foto diyot veya phototube) bir renkli cam filtre ve 500- veya 650-nm parazit bant geçiren filtreli zamana bağımlı PL ömürleri ölçmek için.
3. Ekle ZnO, CdSSe veya ZnO / CdSSe numune tutucu içine kayar. 500 nm bant geçiş filtresi ve 650 nm bant geçiş filtresi ile CdSSe veya ZnO / CdSSe örnekleri ile saf ZnO nanoteller ölçün.
4. Zaman çözünürlüklü floresan bozunma ömürleri ölçmek için bir zaman dekorele tek foton sayacı ya da hızlı osiloskop kullanın.

Şekil 1 ZnO / CdSSe NTS büyüme mekanizmasını göstermektedir. prosedür katalitik olmayan buhar-katı (VS) büyüme takiben katalitik buhar-sıvı-katı (VLS) sürecini içermiştir. İlk VLS adımda, ZnO ve Cı metal Zn ve karbon oksit ile sonuçlanan, Ar atmosferde reaksiyona girmektedir. Zn, daha sonra safir alt-tabaka üzerinde altın ön içinde eritilir. ZnO nanoteller çözünmüş Zn ve kalıntı oksijen büyür. İkinci aşamada, kısa bir ZnO tohumları üzerine VLS-VS uzun ZnO nanotellerinin büyüme hava sonuçlarına maruz kalma. VLS-VS mekanizması daha önce ^11,12 ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Son aşamada, CdSSe dalları ZnO tellerin üzerine, bir katalizör olmadan doğrudan büyür.

İlk aşamada sonra elde edilen ZnO nanotellerin (protokol 1.2) arasında SEM görüntüleri, Şekil 2'de gösterilmiştir: (a). ağaç gibi nanostruct SEM görüntüleriİkinci aşamada sonra elde edilen ures (Protokol 1.3), Şekil 2 (b) ve (c) 'de gösterilmiştir. Biz NTS kompozisyonu belirlemek için EDS kullandı. dalları etrafında 0.53 mol yüzdesi oranı ile, S ve Se içeriyordu: 0.47. EDS elemanı tarar. Şekil 2 (c) 'de gösterilen, NT üç farklı pozisyonda yapılan Şekil edildi 2 (d), (e) ve (f) sırasıyla sapın bileşim, dal ve kapağı göstermektedir . Şekil 2 (g) 'de hat boyunca bir eleman çizgi tarama eşleme Şekil 2 (B)' de gösterilmektedir. elemanı tarama kapak ve gövde açık bir şekilde kök bölgesinde Zn ve O arasından yalnızca katkısını göstermektedir tarama ayırt edilebilir olduğunu göstermektedir. NTS kristal yapıları XRD ile ölçüldü. Bunlar Şekil 3 'de gösterilen saf ZnO ve CdSSe tellerden, kristal yapıları ile karşılaştırılır. Saf ZnO ve CdSSe sh Nanoteller(100), (002), (101) ve (102), ^13,15 karakteristik zirveleri ile beklenen altıgen wurtzite yapısı, akış. ZnO için (002) de bir çok güçlü ve dar tepe dikey olarak hizalanmış ZnO nanotellerinin tek yönlü büyüme ile açıklanabilir. NTS XRD ölçümü ZnO ve CdSSe wurtzite yapıların bir kombinasyonunu göstermektedir. Se 0.54 için XRD verileri belirlendi: 0.46 EDS sonuca karşılık gelmektedir VEGARD yasası, S mol oranı göre yöntem. NTS içinde CdSSe Çinkoblend faz (111) düzlemi ile atanır ve daha sonra ele ek bir tepe sergiledi.

PL spektrumları ve TCSPC kullanılarak zamana bağımlı PL ölçümleri, sırasıyla, Şekil 4 (a) ve (b) 'de gösterilmiştir. Şekil 4 (a), ZnO, CdSSe ve ZnO / CdSSe floresans emisyonları sırasıyla 514 nm, 646 nm ve 627 nm 'de maksimum seviyesine sahip. 500-nm bant geçiren filtre oldu 650 nm'lik filtre CdSSe ve ZnO / CdSSe NTS gelen emisyon ölçümü için kullanılırken, ZnO PL süresi ölçümü için seçilen. Zamana bağımlı PL ölçümleri tek veya çift üstel fonksiyonları kullanılarak takıldı. Şekil 2 (b) ', ZnO / CdSSe artıklar (0.11 nsn) ile nano PL süresi 400 nm eksitasyon ZnO (3.67 nsn) ile nano ya CdSSe (1.06 nsn) ile nano birinin ömür daha kısadır. Bu ZnO CB için iletim bandının CdSSe (CB) fast elektron transferi ile açıklanabilir. İzole nanotellerin ise, heyecanlı elektronlar nanosaniye zaman ölçeğinde radyatif recombine. CdSSe şubeleri ZnO kök ile temas varsa, heyecanlı elektronlar arayüzü bağlıdır ve bu ışınım ömrü çok daha hızlı olabilir bir zaman ölçeği ile, ZnO için CdSSe olmayan radyatif aktarabilirsiniz. Bu nedenle, ZnO / CdSSe NTS PL ömür boyu arayüzü üzerinden elektron transferi ile azaltılır.

"Src =" / files / ftp_upload / 54675 / 54675fig1.jpg "/>
ZnO / CdSSe NTS Şekil 1. şematik sentez. Fırının içindeki kurulum solda gösterilir. Ar içindeki VLS süreci, havada VLS-VS süreci ve CdSSe şube birikimi: Aşağıdaki görüntüleri içeren NT hazırlık üç adım göstermektedir. Referans çoğaltılamaz. 17. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

2. SEM görüntüleri ve EDS spektrumları Şekil. CVD yoluyla hazırlanan ZnO nanotellerin a) SEM görüntüsü, b) ve c) CVD yoluyla hazırlanan ZnO / CdSSe NTS SEM görüntüleri; ZnO sapı, CdSSe kap, ve ZnO / CdSSe NTS CdSSe Şubesi EDS spektrumları d gösterilmiştir ), e) ve f), sırasıyla, lH), Ref yeniden g gösterilmiş olan) üzerinde elemanı hattı taraması. 17. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3. XRD ZnO, CdSSe, ZnO / CdSSe NTS spektrumu. (100), (002), (101) ve (102), tepe çıplak nanotellerin için ZnO ve CdSSe wurtzite yapısının karakteristik gösterilmektedir. Metinde tartışılan şekilde NTS ek tepe noktaları, Çinkoblend yapıda CdSSe bölgesinin (111) düzlemi ile tespit edilebilir. Referans çoğaltılamaz. 17. Lütfen cBu rakamın büyük halini görmek için buraya yalamak.

Şekil 4. PL spektrumları ve TSCPC ölçümleri. PL spektrumları (a) ve tek üslü ile donatılmış TSCPC ölçümleri (b) ZnO, CdSSe ve 400 nm dalga boyu lazer ile heyecan ZnO / CdSSe NTS. sırasıyla 514 nm, 646 nm ve 627 nm de ZnO, CdSSe ve ZnO / CdSSe PL spektrumları gösterisi floresan. ZnO, CdSSe ve ZnO / CdSSe ve ömürleri sırasıyla 3.67 NSEC, 1.32 NSEC ve 0.72 NSEC vardır. Referans çoğaltılamaz. 17. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

ZnO nanotellerin (kaynaklanıyor) dikey hizalama alt tabaka üzerinde epitaksiyel büyüme dayanmaktadır. ZnO nanotellerdir safir ¹² bir düzlem periyodu ile eşleşir <0001> yönünde tercihen büyür. Bu nedenle, tipi ve alt-tabaka kalitesi çok önemlidir. 5 nm ile 20 ila tabaka üzerinde altın kaplama, farklı kalınlıklarda, test edilmiş ve ZnO nanotellerinin büyümesinde anlamlı bir farklılık göstermiştir edilmiştir. ZnO nanotellerinin uzunluğu kullanılır ZnO / C karışımı, Ar akış oranı ve hava maruz kalma süresi miktarı değiştirilerek ayarlanabilir. Tutarlı bir uzunluğa sahip ZnO nanotelleri sentezlenmesi için, iyi tanımlanmış bir oranda ya da yapay hava (oksijen / azot karışımı) olan bir oksijen / argon karışımı taşıyıcı gaz olarak önerilmektedir. Şimdiye kadar, bu yöntemi kullanarak laboratuarımızda yetiştirildiği uzun ZnO nanoteller mikron 30 idi ve en kısa 5 mikron idi.

CdSSe çökelme esnasında alt-tabaka pozisyonunda sıcaklığı üçlü alaşım bileşimini kontrol önemli bir parametredir. kuvars tüp içinde, uçlarına doğru fırının merkezine sıcaklık gradyanı fırın ayarları, tüp uzunluğu ve çapı, ve taşıyıcı gaz akış oranı ile kontrol edilir. alt-tabakanın pozisyonu büyüme sıcaklığı ve buna bağlı olarak bileşimini belirlemektedir. biz güçlü göstergeler olduğundan aşağıda tartışıldığı gibi ZnO kök üzerinde CdSSe şube büyüme epitaksiyel bir 50:50 S büyümesi için doğru sıcaklığa sahip kuvars tüp konumunu bulmak önemlidir, şudur: Se köstebek oranı (yaklaşık 720 ºC) ^14. S ve Se mol oranı ayarlama için bazı çalışmalar tüp içinde doğru ayarları ve pozisyon bulmak gerekebilir. Elde edilen ZnO / CdSSe NTS rengi uygun bir oran elde edilip bir birinci göstergesidir; turuncu olmalıdır. Parlak sarı renkbir koyu kırmızı renk CdSSe çok fazla selenyum gösterir iken, yüksek bir kükürt muhtevasına işaret etmektedir. Gerçek oranı EDS ve XRD ile ölçülebilir.

yerine CdSSe / ZnO çekirdek-kabuk yapısının CdSSe dalları oluşumu nedeni kristal yapısının ölçümleri ile açıklanabilir. XRD CdSSe bölgesinin Çinkoblend fazın (111) düzlemi olarak tanımlanır 26,5 ° değerinde bir omuz (Şekil 3) ¹⁶ gösterilmektedir. CdSSe şube büyüme muhtemelen altıgen ZnO sapının (1010) yüzeyinde nokta kusurları tarafından başlatılır. Çinkoblend aşamasının oluştuğu tamsayı kendi kafes parametreleri farklıdır ve epitaksiyel büyümesine yol açabilir ZnO (1010) yüzey üzerinde küp CdSSe büyümesi ile açıklanabilir. dalları uzun büyüdükçe, kristal yapı XRD güçlü (101) sinyali için hesapları daha kararlı altıgen faza birleştirir. kafes parametreleri determi olduğumol oranı ile tanımlanır, ve mol oranı sıcaklığı kritik etkileyen bütün parametreleri büyüme sıcaklığı dikkatle ayarlayarak bağlıdır.

Bu şube ve sapındaki farklı malzemelerden oluşan ağaç gibi nano bir gösteri olduğunu. yöntemi diğer malzeme kombinasyonları için prensip çalışmalarında gerekir. Ancak, kök kafes parametreleri ve şubeler arasında bir ilişki bir çekirdek-kabuk yapısının yerine dalları büyümek için gereklidir. Buna ek olarak, dal malzemesi yerleştirme sıcaklığı son hazırlık aşamasında kök hasar görmesini önlemek için, kök malzemesinin altında olmalıdır. nanoparçacık sentezi için alternatif bir yöntem solvothermal büyümesini kapsar. solvothermal yöntemlerle sentezlenen ağaç gibi kompozit NTS hakkında raporlar bir avuç olmuştur. solvothermal yöntemleri ile karşılaştırıldığında, çözücü içermeyen CVD daha çevre dostu ve m hazırlanmasını sağlaryüksek saflıkta MALZEMELERİNİN. Ancak, CVD da bazı sınırlamalar vardır. CVD, genellikle öncüleri buharlaştırmak için yüksek sıcaklıklarda çalıştırılır ve hazırlanan numuneler yüksek sıcaklıklarda farklı bileşimlere sahip olabilir.

Özetle, biz yeni bir ZnO / CdSSe dikey olarak hizalanmış ağaç benzeri nano yapısını hazırladı. Hem ZnO sapları ve CdSSe dalları wurtzite yapısında esas olarak edildi. TCSPC ölçümleri ZnO için CdSSe şubelerinden hızlı yük transferi kaynaklanıyor göstermektedir. CdSSe şube ayarlanabilir BG, şeffaf ZnO kaynaklanıyor ve her ikisi arasındaki verimli yük transfer ZnO / CdSSe NTS optik, fotovoltaik ve fotoelektrokimyasal uygulamalar için umut verici bir malzeme yapar.

Bu makaledeki veriler ve rakamlar Li ve ark., ¹⁷ ile nanoteknoloji literatürden zikrediliyor.

Yazarlar püskürtmeli kaplayıcı ekipmanları ile yardım için XRD spektrumları ve K. Booksh ile yaptığı yardım için Svilen Bobev teşekkür ederiz.