Syntese af Hierarkisk ZnO / CdSSe heterostruktur Nanotrees
Summary
Her vil vi forberede og karakterisere nye træ-lignende hierarkiske ZnO / CdSSe nanostrukturer, hvor CdSSe filialer er dyrket på lodret linie ZnO nanotråde. De resulterende nanotrees er en potentiel materiale til solenergi konvertering og andre optoelektroniske anordninger.
Abstract
En kemisk dampudfældning procedure i to trin er her ansat til at forberede træ-lignende hierarkiske ZnO / CdSSe hetero-nanostrukturer. Strukturerne er sammensat af CdSSe filialer dyrket på ZnO nanotråde der er vertikalt rettet ind på en transparent safir substrat. Morfologien blev målt via scanning elektronmikroskopi. Krystalstrukturen blev bestemt ved røntgen-diffraktion analyse. Både ZnO dæmme og CdSSe filialer har en overvejende wurtzite krystalstruktur. Molforholdet mellem S og Se i CdSSe filialer blev målt ved energy dispersive X-ray spektroskopi. De CdSSe filialer medføre kraftig synligt lys absorption. Fotoluminescens (PL) spektroskopi viste, at stammen og grene danner en type-II heterojunction. PL levetid målinger viste et fald i levetid emission fra træerne i forhold til emission fra individuelle ZnO stængler eller CdSSe grene og angiver hurtig opladning overførsel mellem CdSSe og ZnO. Vertitisk tilpasset ZnO stængler tilvejebringe en direkte elektrontransport pathway til substratet og give mulighed for effektiv opladning separation efter fotoexcitering af synligt lys. Kombinationen af ovennævnte egenskaber gør ZnO / CdSSe nanotrees lovende kandidater til applikationer i solceller, fotokatalyse og opto-elektroniske enheder.
Introduction
ZnO er et II-VI halvleder med et båndgab (BG) på 3,3 eV, en høj elektron mobilitet, og en stor exciton bindingsenergi 1,2. Det er en rigelig halvledende materiale med et væld af nuværende og fremtidige applikationer i optiske enheder, solceller og fotokatalyse. Men ZnO er transparent, hvilket begrænser dets anvendelse i det synlige spektrale område. Derfor kan materialer absorberer synligt lys, såsom snævre-gap halvledere 3, farvemolekyler 4 og lysfølsomme polymerer 5, der ofte er blevet anvendt til sensibiliserende ZnO til synligt lys absorption.
CdS (BG 2,43 eV) og CdSe (BG 1.76 eV) er almindelige II-VI smal-gap halvledere og er blevet intensivt undersøgt. BG og gitterparametre af det ternære legering CdSSe kan justeres ved at variere molforholdene af Vi-komponenter 6,7. ZnO / CdSSe nanokompositter er blevet rapporteret at resultere i en effektiv photovoltaic energi konvertering 8,9.
Kombinere effektiv elektrontransport pathway vertikalt flugtende ZnO nanotråde mod et substrat med den forbedrede synligt lys absorption af de CdSSe grene ført til effektiv elektronoverførsel mellem stilken og grene 9,10. Således har vi syntetiseret en ny træ-lignende ZnO / CdSSe nanostruktur, hvor lodret linie ZnO nanotråde er dekoreret med CdSSe filialer. Dette kompositmateriale kan fungere som en byggesten for nye solenergi konvertering enheder.
Denne protokol beskriver, hvordan ZnO nanotråd arrays dyrkes på et safirsubstrat ved et-trins kemisk dampudfældning (CVD) fra ZnO og C pulvere, efter en procedure, der tidligere er blevet offentliggjort 11.. Efter væksten af ZnO nanotråde, er et andet trin i CVD ansat til at vokse CdSSe afdelinger på ZnO nanotråde. Vi anvender røntgen pulver diffraktion (XRD), scanning elektronmikroskopi (SEM), ogenergi-dispersive X-ray spektroskopi (EDS) for at måle krystalstrukturer, morfologi, og sammensætningen af ZnO / CdSSe nanotrees (NTS). Mekanismen optiske egenskaber og ladningsbærere overførsel mellem grenene og stammen er blevet undersøgt af fotoluminescens (PL) spektroskopi og tid-løst PL levetid målinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den lodrette justering af ZnO nanotråde (stængler) er baseret på epitaksial vækst på underlaget. ZnO nanotråde vokser fortrinsvis langs <0001> retning, der passer med hyppigheden af a-plan safir 12. Derfor, typen og kvaliteten af substratet er meget vigtige. Forskellige tykkelser af guld belægning på substratet, fra 5 nm til 20 nm, er blevet testet og viste ingen signifikant forskel i væksten af ZnO nanotråde. Længden af ZnO nanotråde kan justeres ved at ændre mængden af …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Svilen Bobev for hans hjælp med XRD spektre og K. Booksh for hjælp til pådampningsbelægningsmaskinen udstyr.
Materials
| 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 |
References
- Swank, R. K. Surface Properties of II-VI. Compounds. Phys. Rev. 153 (3), 844-849 (1967).
- Bagnall, D. M., et al. Optically pumped lasing of ZnO at room temperature. Appl Phys. Lett. 70 (17), 2230-2232 (1997).
- Zheng, Z. K., Xie, W., Lim, Z. S., You, L., Wang, J. L. CdS sensitized 3D hierarchical TiO2/ZnO heterostructure for efficient solar energy conversion. Sci. Rep. 4, (2014).
- Anta, J. A., Guillén, E., Tena-Zaera, R. ZnO-Based Dye-Sensitized Solar Cells. J. Phys. Chem. C. 116 (21), 11413-11425 (2012).
- Pelligra, C. I., Majewski, P. W., Osuji, C. O. Large area vertical alignment of ZnO nanowires in semiconducting polymer thin films directed by magnetic fields. Nanoscale. 5 (21), 10511-10517 (2013).
- Reddy, N. K., Devika, M., Shpaisman, N., Ben-Ishai, M., Patolsky, F. Synthesis and cathodoluminescence properties of CdSe/ZnO hierarchical nanostructures. J. Mater. Chem. 21 (11), 3858-3864 (2011).
- Lee, Y. L., Chi, C. F., Liau, S. Y. CdS/CdSe Co-Sensitized TiO2 Photoelectrode for Efficient Hydrogen Generation in a Photoelectrochemical Cell. Chem. Mater. 22 (3), 922-927 (2010).
- Rincón, M. E., Sánchez, M., Ruiz-García, J. Photocorrosion of Coupled CdS/CdSe Photoelectrodes Coated with ZnO: Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction Studies. J. Electrochem. Soc. 145 (10), 3535-3544 (1998).
- Leschkies, K. S., et al. Photosensitization of ZnO Nanowires with CdSe Quantum Dots for Photovoltaic Devices. Nano Lett. 7 (6), 1793-1798 (2007).
- Gonzalez-Valls, I., Lira-Cantu, M. Vertically-aligned nanostructures of ZnO for excitonic solar cells: a review. Energy Environ Sci. 2 (1), 19-34 (2009).
- Zhu, G., et al. Synthesis of vertically aligned ultra-long ZnO nanowires on heterogeneous substrates with catalyst at the root. Nanotechnology. 23 (5), 055604 (2012).
- Yang, P., et al. Controlled Growth of ZnO Nanowires and Their Optical Properties. Adv. Func. Mater. 12 (5), 323-331 (2002).
- Myung, Y., et al. Composition-Tuned ZnO−CdSSe Core−Shell Nanowire Arrays. ACS Nano. 4 (7), 3789-3800 (2010).
- Pan, A., et al. Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1-x Nanobelts. J. Am. Chem. Soc. 127 (45), 15692-15693 (2005).
- Rakshit, T., Mondal, S. P., Manna, I., Ray, S. K. CdS-decorated ZnO nanorod heterostructures for improved hybrid photovoltaic devices. ACS Appl. Mater. Inter. 4 (11), 6085-6095 (2012).
- Nan, W. N., et al. Crystal Structure Control of Zinc-Blende CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals: Synthesis and Structure-Dependent Optical Properties. J. Am. Chem. Soc. 134 (48), 19685-19693 (2012).
- Li, Z., Nieto-Pescador, J., Carson, A. J., Blake, J. C., Gundlach, L. Efficient Z-scheme charge separation in novel vertically aligned ZnO/CdSSe nanotrees. Nanotechnology. 27 (13), 135401 (2016).
