Syntese av hierarkisk ZnO / CdSSe hetrostruktur Nanotrees
Summary
Her forbereder vi og karakterisere nye trelignende hierarkiske ZnO / CdSSe nanostrukturer, hvor CdSSe grener er dyrket på vertikalt ZnO nanotråder. De resulterende nanotrees er en potensiell materiale for solenergi konvertering og andre optoelektroniske enheter.
Abstract
En to-trinns kjemisk damp deponering prosedyren er her brukt til å forberede trelignende hierarkiske ZnO / CdSSe heteronanostrukturer. Strukturene er sammensatt av CdSSe grener dyrket på ZnO nanotråder som er vertikalt innrettet på et gjennomsiktig substrat safir. Morfologien ble målt via scanning elektronmikroskopi. Krystallstrukturen ble bestemt ved røntgen-pulverdiffraksjon analyse. Både ZnO stammen og CdSSe grener har en overveiende wurtzitt krystallstruktur. Molforholdet mellom S og Se, i CdSSe grenene ble målt ved hjelp av energi- spredende røntgenspektroskopi. De CdSSe grener resultere i sterkt synlig lys absorpsjon. Photoluminescence (PL) spektroskopi viste at stammen og grenene danner en type-II-hetero. PL levetid målinger viste en reduksjon i levetiden til utslipp fra trærne i forhold til utslipp fra individ ZnO stammer eller greiner CdSSe og indikere rask ladningsoverføring mellom CdSSe og ZnO. den vertitisk justert ZnO endene gir direkte elektrontransportveien til underlaget og gir mulighet for effektiv ladningsseparasjon etter foto-av synlig lys. Kombinasjonen av de ovennevnte egenskapene gjør ZnO / CdSSe nanotrees lovende kandidater for applikasjoner i solceller, photocatalysis og optoelektroniske enheter.
Introduction
ZnO er en II-VI halvleder med et båndgap (BG) på 3,3 eV, en høy elektron mobilitet, og en stor exciton bindingsenergien 1,2. Det er et rikt halvledende materiale med en overflod av nåværende og fremtidige applikasjoner i optiske enheter, solceller, og photocatalysis. Imidlertid er ZnO gjennomsiktig, noe som begrenser dens anvendelse i det synlige spektralområdet. Derfor materialer absorberer synlig lys, for eksempel smale gap halvledere 3, fargestoffmolekyler 4 og lysfølsomme polymerer 5, har ofte vært ansatt for sensibiliserende ZnO til synlig lys absorpsjon.
CdS (BG 2,43 eV) og CdSe (BG 1,76 eV) er vanlige II-VI smal-gap halvledere og har vært intensivt undersøkt. BG og gitterparameterne for den ternære legering CdSSe kan justeres ved å variere de mol-forhold mellom komponentene VI 6,7. ZnO / CdSSe nanocomposites har blitt rapportert å resultere i effektiv photovoltaic energi konvertering 8,9.
Å kombinere effektiv elektrontransportveien av vertikalt innrettede ZnO nanotråder mot et substrat med den forbedrede synlig lys absorpsjon av CdSSe grenene ført til effektiv elektron overføring mellom stammen og grenene 9,10. Dermed syntetisert vi en ny tre-lignende ZnO / CdSSe nanostrukturen, hvor vertikalt ZnO nanotråder er innredet med CdSSe grener. Dette komposittmateriale kan fungere som en byggestein for nye solenergi konvertering enheter.
Denne protokollen beskriver hvordan ZnO nanowire arrays er dyrket på en safir substrat ved ett-trinns kjemisk dampavsetning (CVD) fra ZnO og C-pulver, etter en prosedyre som tidligere har blitt publisert 11. Etter veksten av ZnO nanotråder, blir et andre trinn av CVD anvendes for å dyrke CdSSe grener på ZnO nanotråder. Vi benytter røntgenstråle-pulverdiffraksjon (XRD), scanning elektronmikroskopi (SEM), ogenergi-spredt røntgenspektroskopi (EDS) for å måle krystallstrukturer, morfologi, og sammensetningen av ZnO / CdSSe nanotrees (NTS). Den optiske egenskaper og ladningsbærer overføringsmekanismen mellom grenene og stammen har blitt undersøkt av photoluminescence (PL) spektroskopi og tids løst PL levetid målinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den vertikale justeringen av ZnO nanotråder (stammer) er basert på epitaxial vekst på underlaget. ZnO nanotråder vokser fortrinnsvis langs <0001> retning som samsvarer med periodisitet av en planet av safir 12. Derfor, typen og kvaliteten av substratet er svært viktig. Forskjellige tykkelser av gullbelegg på substratet, fra 5 nm til 20 nm, er blitt testet og viste ingen signifikant forskjell i veksten av ZnO nanotråder. Lengden av ZnO nanotråder kan justeres ved å endre mengden av det ZnO / C-b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Svilen Bobev for hans hjelp med XRD spektrene og K. Booksh for å få hjelp med frese belegger utstyret.
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).
