一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法，包括如下步驟：將CdS或CdSe固體放入襯底上，然后將所述襯底置于管式爐的高溫加熱區(qū)；對放入襯底的管式爐抽真空并通入保護氣體，然后將所述管式爐升溫，并將所述管式爐內壓強保持在10?2000Pa，進行反應0.1?2h，反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫。該制備方法造價低廉、可控性強、步驟簡單；本發(fā)明制備的CdS單晶納米線陣列和CdSe單晶納米線陣列排列整齊、晶體取向一致、結晶度高、缺陷低，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質。在納米光電子器件、太陽能電池、光催化和生物傳感等方面具有非常重要的研究價值和應用前景。
【專利說明】
一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及半導體納米材料技術領域。更具體地，涉及一種CMS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法。
【背景技術】
[0002]半導體納米材料由于其低維結構以及獨特的物理化學性質吸引著人們廣泛的研究興趣。以CdS為例，諸多實驗以及理論研究表明，CdS半導體納米材料在壓電電子學、光電子學、力學、能源存儲等方面具有巨大的應用前景。由于納米器件的性能很大程度上取決于納米材料的直徑、長度、結晶性、結構以及化學成分等，如何實現(xiàn)對這些參數(shù)的嚴格控制則成為納米材料應用中的重大研究課題。
[0003]過去幾十年來，納米材料的制備技術取得了長足的進步。CdS納米材料的制備方法主要包括化學氣相沉積法(CVD)、金屬有機氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、電子束刻蝕、溶液法等等。這些方法的發(fā)明在一定程度上滿足了人們對CdS納米材料在不同領域的需求。然而以上方法除了各自的優(yōu)勢外，往往還具有不同程度的局限性以及不足。例如，氣_液-固(VLS)方法雖然簡單，但是其需要額外金屬催化劑的輔助，并且制備出的納米材料表面以及結構中會摻雜輔助的金屬成份。利用MBE法雖可以精確調控材料的結構、成分，但此法造價高、產量低、步驟復雜。對于溶液法來說，制備出的材料往往具有結晶度低的不足。
[0004]本發(fā)明的制備方法無需經歷形核、生長過程，我們通過對CdS固體進行一步加熱，利用CdS固體本身的結構特性導致的選擇性蒸發(fā)過程制備出了 CdS單晶納米線陣列，是一種熱動力學驅動過程。理論計算表明，六方CdS固體的三個基本晶面族({0001}，{01-10}，{2-1-10})的表面自由能差異很大，因此具有截然不同的反應度。當對CdS固體加熱時，表面自由能較大的{0001}面中的CdS原子較其他晶面更加容易蒸發(fā)，表現(xiàn)出選擇性蒸發(fā)的特性，最終剩下未蒸發(fā)部分便是制備的CdS單晶納米線陣列。我們通過原位環(huán)境掃描電鏡實驗記錄證明了這一過程。本發(fā)明本質上來說是一種自上而下的制備方法，只包含對CdS固體的一步加熱蒸發(fā)過程，簡單易行、造價低廉，而且本發(fā)明制備出的CdS單晶納米線陣列具有排列整齊、晶體取向嚴格一致、結晶度高、缺陷低等優(yōu)點；因此在光電領域應用中更具優(yōu)勢。還需要補充的是，一般來講，該方法不僅適用于CdS，還適用于制備其他六方結構晶體的納米線陣列，比如CdSe單晶納米線陣列的制備。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0007]一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法，包括如下步驟:
[0008]將CdS固體放入襯底上，然后將所述襯底置于管式爐的高溫加熱區(qū)；對放入襯底的管式爐抽真空并通入保護氣體，然后將所述管式爐升溫至550-85(TC，并將所述管式爐內壓強保持在10-2000Pa，進行反應0.l_2h，反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，得CdS單晶納米線陣列；
[0009]或，將CdSe固體放入襯底上，然后將所述襯底置于管式爐的高溫加熱區(qū)；對放入襯底的管式爐抽真空并通入保護氣體，然后將所述管式爐升溫至550_75(TC，并將所述管式爐內壓強保持在10-2000Pa，進行反應0.l_2h，反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，得CdSe單晶納米線陣列。
[0010]進一步，將所述管式爐升溫至550-850°C，溫度太高則蒸發(fā)過快，可控性差，從而影響CdS單晶納米線陣列的排列、密度分布等;溫度太低，則無法蒸發(fā)。
[0011]進一步，將所述管式爐升溫至550-750°C，溫度太高則蒸發(fā)過快，可控性差，從而影響CdSe單晶納米線陣列的排列、密度分布等;溫度太低，則無法蒸發(fā)。
[0012]進一步，升溫速率為10-25°C/min。
[0013]進一步，所述CdS固體和CdSe固體為單晶片或粉末顆粒。
[0014]進一步，所述CdS固體和CdSe固體的純度大于99.9%。
[0015]進一步，所述襯底為陶瓷片、石英片或藍寶石片。
[0016]進一步，所述抽真空是指將放入襯底的管式爐內壓強降至0.l-10Pa。
[0017]進一步，所述保護氣體為惰性氣體或者惰性氣體和氫氣的混合氣。
[0018]進一步，用該方法制備其他六方結構晶體的納米陣列也屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0019]進一步，所述CdS固體和QlSe固體為粉末顆粒時，所述顆粒粒徑大于5μηι。
[0020]本發(fā)明主要利用CdS固體或CdSe固體的低對稱性結構而導致的選擇性蒸發(fā)特性制備CdS或CdSe單晶納米線陣列。
[0021 ]本發(fā)明制備的CdS單晶納米線陣列和CdSe單晶納米線陣列在納米光電子器件、太陽能電池、光催化和生物傳感等方面具有非常重要的研究價值和應用前景。
[0022]另外注意的是，如果沒有特別說明，本發(fā)明所記載的任何范圍包括端值以及端值之間的任何數(shù)值以及以端值或者端值之間的任意數(shù)值所構成的任意子范圍。
[0023]本發(fā)明的有益效果如下:
[0024]1、本發(fā)明首次利用一步熱蒸法制備了六方CdS單晶納米線陣列和CdSe單晶納米線陣列，無需經歷形核和生長過程等過程。
[0025]2、本發(fā)明的制備方法步驟簡單、造價低廉，可控性強，只需將CdS固體或CdSe固體放入管式爐中，將其加熱反應而制備。
[0026]3、本發(fā)明制備出的CdS單晶納米線陣列和CdSe單晶納米線陣列排列整齊、晶體取向一致、結晶度高、缺陷低，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質。
[0027]4、本發(fā)明的制備方法不僅適用于CdS單晶納米線陣列和CdSe單晶納米線陣列的制備，而且可用于其他半導體材料的六方結構晶體的納米線陣列的制備。
【附圖說明】
[0028]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0029]圖1:a示出實施例1的CdS單晶片的低倍掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;b至f示出實施例I制備的CdS單晶納米線陣列的SEM圖像，C的標尺為I Ομ??; g示出實施例1制備的CdS單晶納米線陣列的暗場掃描透射(ADF-STEM)圖像以及對應的元素分布圖像;h示出實施例1制備的CdS單晶納米線陣列的低倍透射電鏡(TEM)圖像，標尺為500ym;i示出實施例1制備的CdS單晶納米線陣列的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像以及選取電子衍射(SAED)圖像。
[0030]圖2:a至i示出CdS粉末顆粒的選擇性熱蒸發(fā)過程中時間分辨的原位環(huán)境掃描電鏡(ESEM)圖像，a至i的標尺都是10ym;j示出CdS單晶片選擇性蒸發(fā)Cds原子制備Cds納米線陣列的不意圖。
[0031]圖3:a和b示出實施例2的CdS單晶納米線陣列的低倍和高倍SEM圖像;a的標尺為20ym; C示出實施例2的CdS單晶納米線陣列的EDX圖譜;d和e示出實施例2的CdS單晶納米線陣列的TEM和HRTEM圖像，一的標尺為2nm ； f示出實施例2的CdS單晶納米線陣列的SAED圖像。
[0032]圖4:a示出實施例3的CdSe顆粒粉末的SEM圖像;b至f示出實施例3的CdSe單晶納米線陣列的SEM圖像;g示出實施例3的CdSe單晶納米線陣列的ADF-STEM圖像以及對應的元素分布圖像，標尺為200nm;h示出實施例3的CdSe單晶納米線陣列的TEM圖像；i示出實施例3制備的CdSe單晶納米線陣列的HRTEM圖像以及SAED圖像。
【具體實施方式】
[0033]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0034]實施例1
[0035]I)將CdS單晶片放入陶瓷片中，然后將所述陶瓷片置于管式爐的高溫加熱區(qū);所述六方CdS單晶片的純度為99.9% ;
[0036]2)打開機械栗，對放入陶瓷片的管式爐抽真空，并將所述管式爐內壓強降至
0.1?&，然后向管式爐中以40111171^11速率通入氬氣和氫氣的混合氣(氬氣和氫氣的體積比為95:5)，使管式爐內的壓強保持在200Pa;再將管式爐以25°C/min的速率加熱至750°C，在壓強為200Pa的條件下反應30min;反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，取出樣品。所述樣品為CdS單晶納米線陣列。
[0037]由圖1中的i圖可知，所述CdS單晶納米線陣列的HRTEM圖像以及SAED圖像，圖中納米線陣列取向為六方
[0001]方向，圖中標注的(0001)面和(01-10)面的晶面間距分別為
0.67nm和0.35nm，二者夾角為90度。
[0038]實施例2
[0039]I)將粒徑大于5μπι的CdS粉末顆粒放入陶瓷片中，然后將所述陶瓷舟置于管式爐的高溫加熱區(qū)；所述CdS粉末顆粒的純度為99.9% ;
[0040]2)打開機械栗，對放入陶瓷片的管式爐抽真空，并將所述管式爐內壓強降至
0.1?&，然后向管式爐中以40111171^11速率通入氬氣和氫氣的混合氣(氬氣和氫氣的體積比為95:5)，使管式爐內的壓強保持在200Pa;再將管式爐以25°C/min的速率加熱至750°C，在壓強為200Pa的條件下反應30min;反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，取出樣品。所述樣品為CdS單晶納米線陣列。
[0041]結合圖2中的a至i圖可知，CdS粉末顆粒的選擇性熱蒸發(fā)過程中時間分辨的ESEM圖像，清晰的展示出CdS單晶納米線陣列是經由CdS粉末顆粒的選擇性熱蒸發(fā)過程而成。
[0042]實施例3
[0043]I)將粒徑大于5μπι的CdSe粉末顆粒放入陶瓷片中，然后將所述陶瓷舟置于管式爐的高溫加熱區(qū)；所述CdSe粉末顆粒的純度為99.9% ;
[0044]2)打開機械栗，對放入陶瓷片的管式爐抽真空，并將所述管式爐內壓強降至
0.1?&，然后向管式爐中以40111171^11速率通入氬氣和氫氣的混合氣(氬氣和氫氣的體積比為95:5)，使管式爐內的壓強保持在200Pa;再將管式爐以20°C/min的速率加熱至650°C，在壓強為200Pa的條件下反應30min;反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，取出樣品。所述樣品為CdSe單晶納米線陣列。
[0045 ]由結合圖4的i圖可知，所述CdSe單晶納米線陣列的HRTEM圖像以及SAED圖像，圖中CdSe單晶納米線陣列取向為六方
[0001]方向，圖中標注的(0001)面和(01-10)面的晶面間距分別為0.7nm和0.37nm，二者夾角為90度。
[0046]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【主權項】
1.一種CdS或CdSe單晶納米線陣列的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 將CdS固體放入襯底上，然后將所述襯底置于管式爐的高溫加熱區(qū)；對放入襯底的管式爐抽真空并通入保護氣體，然后將所述管式爐升溫至550-85(TC，并將所述管式爐內壓強保持在10-2000Pa，進行反應0.l_2h，反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，得CdS單晶納米線陣列； 或，將CdSe固體放入襯底上，然后將所述襯底置于管式爐的高溫加熱區(qū)；對放入襯底的管式爐抽真空并通入保護氣體，然后將所述管式爐升溫至550-75(TC，并將所述管式爐內壓強保持在10-2000Pa，進行反應0.l-2h，反應結束后使所述管式爐自然降溫至室溫，得CdSe單晶納米線陣列。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2)中，升溫速率為10-25°C/min。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述CdS固體和CdSe固體為單晶片或粉末顆粒。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述CdS固體和CdSe固體的純度大于99.9%。5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為陶瓷片、石英片或藍寶石片。6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述抽真空是指將放入襯底的管式爐內壓強降至0.l-lOPa。7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述保護氣體為惰性氣體或者惰性氣體和氫氣的混合氣。
【文檔編號】C30B29/48GK105926034SQ201610450846
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】孟祥敏, 黃興
【申請人】中國科學院理化技術研究所