Syntes av Hierarkisk ZnO / CdSSe Heteronanoträd
Summary
Här, vi förbereder och karakterisera nya trädliknande hierarkiska ZnO / CdSSe nanostrukturer, där CdSSe grenar odlas på vertikalt inriktade ZnO nanotrådar. De resulterande nanoträd är en potentiell material för solenergi energiomvandling och andra optoelektroniska enheter.
Abstract
En två-stegs kemisk ångavsättning procedur här användes för att framställa trädliknande hierarkiska ZnO / CdSSe heteronanostrukturer. Strukturerna är sammansatta av CdSSe grenar odlas på ZnO nanotrådar som är vertikalt i linje på en transparent safirsubstrat. Morfologin mättes via svepelektronmikroskopi. Kristallstrukturen bestämdes genom röntgenpulver-diffraktionsanalys. Både ZnO hejda och CdSSe grenar har en övervägande wurtzite kristallstruktur. Molförhållandet av S och Se i de CdSSe grenar mättes genom energidispersiv röntgenspektroskopi. De CdSSe grenar resultera i starkt synligt ljus absorption. Fotoluminescens (PL) spektroskopi visade att stammen och grenarna bildar en typ II hetero. PL livstid mätningar visade en minskning i livslängd utsläpp från träden i jämförelse med utsläpp från enskilda ZnO stammar eller CdSSe grenar och ange snabbladdningsöverföring mellan CdSSe och ZnO. Vertitiskt inriktade ZnO stjälkar tillhandahålla en direkt elektrontransportvägen till substratet och möjliggöra effektiv laddningsseparation efter fotoexcitation av synligt ljus. Kombinationen av de ovannämnda egenskaperna gör ZnO / CdSSe nanoträd lovande kandidater för tillämpningar inom solceller, fotokatalys, och opto-elektroniska apparater.
Introduction
ZnO är en II-VI halvledare som presenterar ett bandgap (BG) av 3,3 eV, en hög elektronrörlighet, och en stor exciton bindningsenergi 1,2. Det är en riklig halvledande material med en uppsjö av nuvarande och framtida tillämpningar i optiska enheter, solceller och fotokatalys. Dock är ZnO transparent, vilket begränsar dess tillämpning i det synliga spektralområdet. Därför material som absorberar synligt ljus, såsom smal gap halvledare 3, färgmolekyler 4 och ljuskänsliga polymerer 5, har ofta använts för sensibilisering ZnO för synligt ljus absorption.
CdS (BG 2,43 eV) och CdSe (BG 1,76 eV) är vanliga II-VI smal gap halvledare och har intensivt undersökt. BG och gitterparametrarna hos den ternära legeringen CdSSe kan justeras genom att variera de molförhållanden av de VI komponenterna 6,7. ZnO / CdSSe nanokompositer har rapporterats resultera i en effektiv photovoltaic energiomvandling 8,9.
Kombinera effektiv elektrontransportvägen vertikalt inriktade ZnO nanotrådar mot ett substrat med den förbättrade synligt ljus absorption av CdSSe grenar ledde till effektiv elektronöverföring mellan stammen och grenarna 9,10. Således, syntetiserade vi en ny trädliknande ZnO / CdSSe nanostruktur, där vertikalt inriktade ZnO nanotrådar är dekorerade med CdSSe grenar. Detta kompositmaterial kan fungera som en byggsten för nya solenergi omvandlarna.
Detta protokoll beskriver hur ZnO nanowire arrayer odlas på ett safirsubstrat med ett steg kemisk ångavsättning (CVD) från ZnO och C pulver, efter ett förfarande som tidigare har publicerats 11. Efter tillväxten av ZnO nanotrådar, är ett andra steg med CVD utnyttjas för att växa CdSSe grenar på ZnO nanotrådar. Vi använder röntgenpulver-diffraktion (XRD), svepelektronmikroskop (SEM), ochenergiröntgenspektroskopi (EDS) för att mäta kristallstrukturer, morfologi, och sammansättningen av ZnO / CdSSe nanoträd (NTS). Överföringsmekanismen optiska egenskaper och laddningsbärare mellan grenarna och stammen har undersökts av fotoluminescens (PL) spektroskopi och tidsupplösta PL livstidsmätningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den vertikala inriktningen av ZnO nanotrådar (stjälkar) är baserad på epitaxiell tillväxt på substratet. ZnO nanotrådar växer företrädesvis längs <0001> riktning som matchar med periodiciteten av a-plan av safir 12. Därför, typen och kvaliteten hos substratet är mycket viktiga. Olika tjocklekar av guldbeläggningen på substratet, från 5 nm till 20 nm, har testats och visade ingen signifikant skillnad i tillväxten av ZnO-nanotrådar. Längden på ZnO nanotrådar kan justeras genom att ä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Svilen Bobev för hans hjälp med XRD-spektra och K. Booksh för hjälp med spotta beläggningsutrustning.
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).
