一種CdS/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明專利涉及納米線的制備方法，尤其涉及一種(MS/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]CdS/ZnO納米線核殼結(jié)構(gòu)是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池(QDSSCs)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是目前納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有報(bào)道中主要在水溶液環(huán)境中制備(ZnO納米線制備方法:水熱法、電化學(xué)沉積等，CdS包裹層制備方法:連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)技術(shù)(SILAR)、低溫水熱法(CBD法)等)。這一制備方法局限了QDSSCs轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提高以及研究成果的推廣轉(zhuǎn)化:1、低溫生長(zhǎng)ZnO納米線表面存在大量缺陷，會(huì)捕獲輸運(yùn)的載流子，從而降低器件性能。2、CBD方法或SILAR方法包裹CdS量子點(diǎn)需要將ZnO基片多次或者長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水溶液中，這一過(guò)程將會(huì)引入更多的ZnO表面缺陷。3、溶液制備環(huán)境復(fù)雜、工藝穩(wěn)定性差，難以進(jìn)行大面積生長(zhǎng)和工業(yè)化推廣應(yīng)用。為解決這些問(wèn)題，其他研究小組也開(kāi)始研究采用別的方法制備該類納米線核殼結(jié)構(gòu)。有研究小組在水熱法制備ZnO納米線陣列基底上采用脈沖激光沉積方法(Pulse laser deposit1n，PLD)沉積一層CdS多晶薄膜，然后通過(guò)退火等工藝提高CdS包裹層的結(jié)晶質(zhì)量，從而提高CdS量子點(diǎn)的光學(xué)性能和CdS/ZnO納米線核殼結(jié)構(gòu)的界面電子輸運(yùn)性能。采用PLD、磁控濺射以及熱蒸發(fā)等物理沉積方法制備的CdS包裹層，其晶體質(zhì)量較差，導(dǎo)致敏化材料的吸光性能與電學(xué)性能都較差。同時(shí)由于納米線生長(zhǎng)交錯(cuò)、相互覆蓋，物理沉積方法無(wú)法保證納米線表面完全包裹CdS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種新的CdS/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線制備的方法。
[0004]本發(fā)明的CdS/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線的制備方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1、在清潔的襯底表面制備籽晶層；
[0006]步驟2、將步驟I獲得的具有籽晶層的襯底置于高溫管式爐中，以充分混合的高純ZnO和C粉為反應(yīng)源，將反應(yīng)源溫度升至900?950°C，襯底溫度為600?650°C，制備得到ZnO納米線陣列；
[0007]步驟3、對(duì)ZnO納米線進(jìn)行表面硫化處理；
[0008]步驟4、包裹CdS殼層結(jié)構(gòu)；將經(jīng)步驟3處理樣品放入管式爐末端低溫區(qū)中，以高純CdO粉末與石墨粉末的混合物作為Cd源，以高純S粉作為S源;將ZnO納米線襯底、CdO和石墨混合粉末與S粉分別快速加熱至200?250°C、450?500°C和250?300°C;Cd0與石墨粉在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)，形成Cd金屬蒸汽;Cd金屬蒸汽與S蒸汽在經(jīng)過(guò)S化的ZnO納米線表面沉積，形成CdS/ZnO核殼納米線結(jié)構(gòu)。
[0009]作為優(yōu)選:步驟I和步驟2具體包括如下步驟:
[0010]ZnO納米線采用化學(xué)氣相沉積的方法制備。首先制備仔晶，將六水硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)溶于乙二醇單甲醚中升溫至50?65°C攪拌30分鐘，然后加入與Zn(NO3)2.6H20等摩爾量的乙醇胺，再攪拌陳化I?3小時(shí)后，然后降至室溫，形成ZnO籽晶旋涂液。將ZnO籽晶旋涂液用旋涂方法旋涂在襯底表面，然后在真空中晶化，晶化溫度為400?500°C，晶化時(shí)間為60?90分鐘。然后采用CVD(chemical vapor deposit1n)方法制備ZnO納米線。將ZnO籽晶襯底放置在CVD加熱管出氣口(低溫區(qū))，將ZnO與石墨混合粉末放置在CVD加熱管中部(高溫端)。通過(guò)設(shè)定CVD溫度與襯底在加熱管中的位置，使襯底溫度在400?500°C，ZnO粉末與石墨粉末的混合物溫度在900?950°C，通入N2流量為SOOml/miruZnO粉末與石墨混合物在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)，形成Zn金屬蒸汽。Zn金屬蒸汽被N2帶至襯底表面，再與C02發(fā)生氧化反應(yīng)，沉積在籽晶表面形成ZnO納米線。ZnO納米線長(zhǎng)度與直徑可以通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。
[0011 ]作為優(yōu)選:步驟3具體包括如下步驟:
[0012]將生長(zhǎng)有ZnO納米線的襯底浸入I，2_乙二硫醇的乙腈溶液中或者浸入Na2S的水溶液中浸泡5?15分鐘，然后將襯底放入真空管中在150?200°C退火30?60分鐘。表面硫化工藝的作用是使ZnO納米線表面形成S懸掛鍵，有利于CdS分子的沉積。
[0013]作為優(yōu)選:步驟4具體包括如下步驟:
[0014]采用CVD方法在ZnO納米線外層包裹CdS殼層。將S粉放置在CVD加熱管的進(jìn)氣口(低溫區(qū))，將CdO和石墨混合粉末放置在CVD加熱管中部(高溫區(qū))，將ZnO納米線襯底放置在CVD加熱管出氣口(低溫區(qū))。通入N2流量為300ml/min，設(shè)置CVD加熱溫度與位置，使ZnO納米線襯底、CdO和石墨混合粉末與S粉分別快速加熱至200?250°C、450?500°C和250?300°C。CdO與石墨粉在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)，形成Cd金屬蒸汽。Cd金屬蒸汽與S蒸汽在經(jīng)過(guò)S化的ZnO納米線表面沉積，形成CdS/ZnO核殼納米線結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]在ZnO納米線表面進(jìn)行硫化處理，過(guò)程簡(jiǎn)單，是對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)的改進(jìn)。ZnO表面經(jīng)硫化處理，形成S懸掛鍵，能夠更有效的接受與沉積CdS分子，實(shí)現(xiàn)兩者界面的平滑過(guò)渡，提高該結(jié)構(gòu)的電子輸運(yùn)特性。
[0017]CVD方法制備單獨(dú)Zn0、CdS以及其他種類半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常成熟，有豐富資源可以利用，包括硬件設(shè)施和文獻(xiàn)資料。采用同一套設(shè)備，只需更換相應(yīng)的生長(zhǎng)源就可以生長(zhǎng)該復(fù)合結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化制備工藝和對(duì)設(shè)備的需求。氣相環(huán)境相比液相環(huán)境更加可控，制備工藝穩(wěn)定性高，有利于制備大面積均一樣品。固態(tài)源CVD生長(zhǎng)技術(shù)可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究而改進(jìn)為使用氣態(tài)源，因此生長(zhǎng)設(shè)備可以與現(xiàn)有商業(yè)化應(yīng)用的大型MOCVD設(shè)備通用，有利于QDSSCs研究成果的轉(zhuǎn)化推廣，為社會(huì)帶來(lái)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為襯底上旋涂籽晶后的SEM形貌圖；
[0019]圖2為利用CVD方法在籽晶層上生長(zhǎng)的ZnO納米線的SEM圖；
[0020]圖3為CdS/ZnO核殼結(jié)構(gòu)納米線與ZnO納米線的PL譜。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。下述實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0022]本發(fā)明提出采用化學(xué)氣相沉積方法(Chemical vapor deposit1n,CVD)制備CdS/ZnO納米線核殼結(jié)構(gòu)。制備步驟基本分為三步:1、利用CVD生長(zhǎng)技術(shù)在硅襯底或者ITO襯底上生長(zhǎng)高度取向性的ZnO納米線陣列。2、對(duì)ZnO納米線表面進(jìn)行硫化處理和退火處理，降低ZnO納米線表面缺陷密度，通過(guò)修飾裸露ZnO納米線表面，使其易于CdS附著沉積，提高CdS量子點(diǎn)的致密性和結(jié)晶質(zhì)量。3、利用CVD方法再在ZnO納米線表面包裹CdS殼層。本發(fā)明主要是在ZnO納米線表面先進(jìn)行硫化處理，使氣相CdS分子能夠更好的沉積到ZnO納米線表面，進(jìn)而提高該核殼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)晶質(zhì)量。
[0023]本發(fā)明公開(kāi)一種采用CVD技術(shù)(化學(xué)氣相沉積)制備CdS/ZnO納米線核殼結(jié)構(gòu)的技術(shù)方法，步驟如下:1、在清潔的襯底表面制備籽晶層。2、將步驟I獲得的具有籽晶層的襯底置于高溫管式爐中，以充分混合的高