一種CdS/ZnO核殼結構納米線的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明專利涉及納米線的制備方法，尤其涉及一種(MS/ZnO核殼結構納米線的制備方法。
【背景技術】
[0002]CdS/ZnO納米線核殼結構是量子點敏化太陽電池(QDSSCs)的關鍵結構，是目前納米材料領域的研究熱點和重點。該結構在現有報道中主要在水溶液環境中制備(ZnO納米線制備方法:水熱法、電化學沉積等，CdS包裹層制備方法:連續離子層吸附與反應技術(SILAR)、低溫水熱法(CBD法)等)。這一制備方法局限了QDSSCs轉化效率的進一步提高以及研究成果的推廣轉化:1、低溫生長ZnO納米線表面存在大量缺陷，會捕獲輸運的載流子，從而降低器件性能。2、CBD方法或SILAR方法包裹CdS量子點需要將ZnO基片多次或者長時間浸泡在水溶液中，這一過程將會引入更多的ZnO表面缺陷。3、溶液制備環境復雜、工藝穩定性差，難以進行大面積生長和工業化推廣應用。為解決這些問題，其他研究小組也開始研究采用別的方法制備該類納米線核殼結構。有研究小組在水熱法制備ZnO納米線陣列基底上采用脈沖激光沉積方法(Pulse laser deposit1n，PLD)沉積一層CdS多晶薄膜，然后通過退火等工藝提高CdS包裹層的結晶質量，從而提高CdS量子點的光學性能和CdS/ZnO納米線核殼結構的界面電子輸運性能。采用PLD、磁控濺射以及熱蒸發等物理沉積方法制備的CdS包裹層，其晶體質量較差，導致敏化材料的吸光性能與電學性能都較差。同時由于納米線生長交錯、相互覆蓋，物理沉積方法無法保證納米線表面完全包裹CdS。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種新的CdS/ZnO核殼結構納米線制備的方法。
[0004]本發明的CdS/ZnO核殼結構納米線的制備方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1、在清潔的襯底表面制備籽晶層；
[0006]步驟2、將步驟I獲得的具有籽晶層的襯底置于高溫管式爐中，以充分混合的高純ZnO和C粉為反應源，將反應源溫度升至900?950°C，襯底溫度為600?650°C，制備得到ZnO納米線陣列；
[0007]步驟3、對ZnO納米線進行表面硫化處理；
[0008]步驟4、包裹CdS殼層結構；將經步驟3處理樣品放入管式爐末端低溫區中，以高純CdO粉末與石墨粉末的混合物作為Cd源，以高純S粉作為S源;將ZnO納米線襯底、CdO和石墨混合粉末與S粉分別快速加熱至200?250°C、450?500°C和250?300°C;Cd0與石墨粉在高溫下發生還原反應，形成Cd金屬蒸汽;Cd金屬蒸汽與S蒸汽在經過S化的ZnO納米線表面沉積，形成CdS/ZnO核殼納米線結構。
[0009]作為優選:步驟I和步驟2具體包括如下步驟:
[0010]ZnO納米線采用化學氣相沉積的方法制備。首先制備仔晶，將六水硝酸鋅(Zn(NO3)2.6H20)溶于乙二醇單甲醚中升溫至50?65°C攪拌30分鐘，然后加入與Zn(NO3)2.6H20等摩爾量的乙醇胺，再攪拌陳化I?3小時后，然后降至室溫，形成ZnO籽晶旋涂液。將ZnO籽晶旋涂液用旋涂方法旋涂在襯底表面，然后在真空中晶化，晶化溫度為400?500°C，晶化時間為60?90分鐘。然后采用CVD(chemical vapor deposit1n)方法制備ZnO納米線。將ZnO籽晶襯底放置在CVD加熱管出氣口(低溫區)，將ZnO與石墨混合粉末放置在CVD加熱管中部(高溫端)。通過設定CVD溫度與襯底在加熱管中的位置，使襯底溫度在400?500°C，ZnO粉末與石墨粉末的混合物溫度在900?950°C，通入N2流量為SOOml/miruZnO粉末與石墨混合物在高溫下發生還原反應，形成Zn金屬蒸汽。Zn金屬蒸汽被N2帶至襯底表面，再與C02發生氧化反應，沉積在籽晶表面形成ZnO納米線。ZnO納米線長度與直徑可以通過控制生長時間進行調控。
[0011 ]作為優選:步驟3具體包括如下步驟:
[0012]將生長有ZnO納米線的襯底浸入I，2_乙二硫醇的乙腈溶液中或者浸入Na2S的水溶液中浸泡5?15分鐘，然后將襯底放入真空管中在150?200°C退火30?60分鐘。表面硫化工藝的作用是使ZnO納米線表面形成S懸掛鍵，有利于CdS分子的沉積。
[0013]作為優選:步驟4具體包括如下步驟:
[0014]采用CVD方法在ZnO納米線外層包裹CdS殼層。將S粉放置在CVD加熱管的進氣口(低溫區)，將CdO和石墨混合粉末放置在CVD加熱管中部(高溫區)，將ZnO納米線襯底放置在CVD加熱管出氣口(低溫區)。通入N2流量為300ml/min，設置CVD加熱溫度與位置，使ZnO納米線襯底、CdO和石墨混合粉末與S粉分別快速加熱至200?250°C、450?500°C和250?300°C。CdO與石墨粉在高溫下發生還原反應，形成Cd金屬蒸汽。Cd金屬蒸汽與S蒸汽在經過S化的ZnO納米線表面沉積，形成CdS/ZnO核殼納米線結構。
[0015]本發明的有益效果是:
[0016]在ZnO納米線表面進行硫化處理，過程簡單，是對現有制備技術的改進。ZnO表面經硫化處理，形成S懸掛鍵，能夠更有效的接受與沉積CdS分子，實現兩者界面的平滑過渡，提高該結構的電子輸運特性。
[0017]CVD方法制備單獨Zn0、CdS以及其他種類半導體納米結構已經非常成熟，有豐富資源可以利用，包括硬件設施和文獻資料。采用同一套設備，只需更換相應的生長源就可以生長該復合結構，簡化制備工藝和對設備的需求。氣相環境相比液相環境更加可控，制備工藝穩定性高，有利于制備大面積均一樣品。固態源CVD生長技術可經過進一步研究而改進為使用氣態源，因此生長設備可以與現有商業化應用的大型MOCVD設備通用，有利于QDSSCs研究成果的轉化推廣，為社會帶來效益。
【附圖說明】
[0018]圖1為襯底上旋涂籽晶后的SEM形貌圖；
[0019]圖2為利用CVD方法在籽晶層上生長的ZnO納米線的SEM圖；
[0020]圖3為CdS/ZnO核殼結構納米線與ZnO納米線的PL譜。
【具體實施方式】
[0021]下面結合實施例對本發明做進一步描述。下述實施例的說明只是用于幫助理解本發明。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
[0022]本發明提出采用化學氣相沉積方法(Chemical vapor deposit1n,CVD)制備CdS/ZnO納米線核殼結構。制備步驟基本分為三步:1、利用CVD生長技術在硅襯底或者ITO襯底上生長高度取向性的ZnO納米線陣列。2、對ZnO納米線表面進行硫化處理和退火處理，降低ZnO納米線表面缺陷密度，通過修飾裸露ZnO納米線表面，使其易于CdS附著沉積，提高CdS量子點的致密性和結晶質量。3、利用CVD方法再在ZnO納米線表面包裹CdS殼層。本發明主要是在ZnO納米線表面先進行硫化處理，使氣相CdS分子能夠更好的沉積到ZnO納米線表面，進而提高該核殼結構的整體結晶質量。
[0023]本發明公開一種采用CVD技術(化學氣相沉積)制備CdS/ZnO納米線核殼結構的技術方法，步驟如下:1、在清潔的襯底表面制備籽晶層。2、將步驟I獲得的具有籽晶層的襯底置于高溫管式爐中，以充分混合的高