Synthese van Hierarchical ZnO / CdSSe heterostructuur Nanotrees
Summary
Hier, we bereiden en karakteriseren van nieuwe boomachtige hiërarchische ZnO / CdSSe nanostructuren, waarbij CdSSe takken worden geteeld op verticaal uitgelijnd ZnO nanodraden. De resulterende nanotrees een potentiële materialen voor zonne-energie conversie en andere opto-elektronische inrichtingen.
Abstract
Een twee-staps chemische damp depositie procedure wordt hier toegepast om boomachtige hiërarchische ZnO / CdSSe hetero-nanostructuren te bereiden. De structuren zijn samengesteld uit CdSSe takken geteeld op ZnO nanodraden die verticaal worden uitgelijnd op een transparante saffier substraat. De morfologie werd gemeten met scanning elektronenmicroscopie. De kristalstructuur werd bepaald door röntgen poeder diffractie analyse. Zowel de ZnO stam en CdSSe takken overwegend wurtzite kristalstructuur. De molverhouding van S en Se in de CdSSe takken werd gemeten met energie-dispersieve röntgenspectroscopie. De CdSSe takken resulteren in sterk zichtbaar licht absorptie. Fotoluminescentie (PL) spectroscopie toonde dat de stam en takken vormen een type-II-heterojunctie. PL levensduur toonden een afname van de levensduur van de emissie van bomen vergelijking met emissie van ZnO individuele stammen of takken CdSSe en geven snelle ladingsoverdracht tussen CdSSe en ZnO. de Vertitisch uitgelijnd ZnO stammen een directe elektronentransport weg naar het substraat en een doelmatig ladingsscheiding na foto-excitatie van zichtbaar licht. De combinatie van de bovengenoemde eigenschappen maakt ZnO / CdSSe nanotrees veelbelovende kandidaten voor toepassingen in zonnecellen, fotokatalyse en opto-elektronische inrichtingen.
Introduction
ZnO is een II-VI halfgeleider met een bandafstand (BG) van 3,3 eV, een hoge elektronenmobiliteit en een grote exciton bindingsenergie 1,2. Het is een overvloedig halfgeleidend materiaal met een overvloed aan de huidige en toekomstige toepassingen in optische apparatuur, zonnecellen en fotokatalyse. Echter, ZnO is transparant, dat de toepassing ervan in het zichtbare spectrale gebied beperkt. Daarom materialen absorberen van zichtbaar licht, zoals smalle spleet halfgeleiders 3, kleurstofmoleculen 4 en 5 lichtgevoelige polymeren, zijn vaak gebruikt voor sensibilisatie ZnO zichtbaar lichtabsorptie.
CdS (BG 2.43 eV) en CdSe (BG 1,76 eV) komen vaak voor II-VI narrow-gap halfgeleiders en zijn intensief onderzocht. BG en roosterparameters van het ternaire legering CdSSe kan worden ingesteld door variatie van de molaire verhoudingen van de componenten VI 6,7. ZnO / CdSSe nanocomposieten zijn zou resulteren in efficiënte photovoltaic energieomzetting 8,9.
De combinatie van de efficiënte elektron transport route van verticaal gerichte ZnO nanodraden in de richting van een substraat met de verbeterde zichtbaar licht absorptie van de CdSSe takken geleid tot een efficiënte overdracht van elektronen tussen de stam en takken 9,10. Zo gesynthetiseerd we een nieuwe boom-achtige ZnO / CdSSe nanostructuur, waarbij verticaal uitgelijnde ZnO nanodraden zijn versierd met CdSSe takken. Dit samengesteld materiaal kan fungeren als een bouwsteen voor nieuwe zonne-energie conversie apparaten.
Dit protocol beschrijft hoe ZnO nanodraadje arrays worden geteeld op een saffieren substraat door one-step chemical vapour deposition (CVD) van ZnO en C poeders, volgens een procedure die eerder is gepubliceerd 11. Na de groei van ZnO nanodraden, wordt een tweede stap van CVD toegepast om CdSSe takken groeien op de ZnO nanodraden. We gebruiken X-ray poeder diffractie (XRD), scanning electron microscopy (SEM), enenergie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) op de kristalstructuren, morfologie en samenstelling van de ZnO / CdSSe nanotrees (NT) te meten. De optische eigenschappen en ladingsdragers overdracht mechanisme tussen de takken en stam zijn onderzocht door fotoluminescentie (PL) spectroscopie en tijdsopgeloste PL levensduur metingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De verticale uitlijning van ZnO nanodraden (stengel) zijn gebaseerd op epitaxiale groei op het substraat. ZnO nanodraden groeien bij voorkeur langs de <0001> richting die overeenkomt met de periodiciteit van de a-vlak van saffier 12. Daarom is de soort en de kwaliteit van het substraat groot belang. Verschillende diktes van de goud coating op het substraat, van 5 nm tot 20 nm, zijn getest en toonde geen significant verschil in de groei van ZnO nanodraden. De lengte van de ZnO nanodraden kan worden bijge…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Svilen Bobev voor zijn hulp bij de XRD spectra en K. Booksh voor hulp bij de sputter coater uitrusting.
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).
