硫化镉和锡酸锌微/纳米结构的制备及其光学特性研究

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硫化镉(Cadmium sulfide,简写CdS)室温下直接带隙为2.42 eV,并且具有2.5nm的小激子波尔半径。它是异质结太阳能电池窗口材料的最佳候选物之一,以避免光生载流子的复合,提高太阳能电池的效率。此外,它还在发光二极管、光催化、太阳能转换和水污染物的光降解方面有着重要的运用。锡酸锌(Zinc stannate,简写Zn2SnO4)是一种重要的n型半导体材料,具有高电子迁移率,高导电率和低可见光吸收。它在许多领域有着巨大的潜在运用,例如用作透明导电氧化物、薄膜光伏器件和平板显示器、薄膜太阳能电池和选择性气体传感器。本文采用热蒸发法,成功地合成了CdS纳米带、Cd1-x-x ZnxS纳米棒、Cd1-xZnxS羽毛状纳米结构、CdS/CdMoO4微米线和Zn2SnO4四足体结构并对合成生长的机理、Raman振动谱以及光致发光(Photoluminescence,简写PL)的特性进行了详细的研究。具体内容如下:(1)通过热蒸发CdS粉末,在不同温区的沉积位置合成了尺寸不同的CdS纳米带,并对其晶体结构、振动和光学性能进行了表征。X射线衍射(X-ray diffraction,简写XRD)分析的结果表明不同尺寸CdS纳米带均属于六方纤锌矿相。拉曼光谱的结果均清晰地呈现出CdS的一阶(1LO)和二阶(2LO)纵向光学声子模式。PL谱的结果显示尺寸较小的CdS纳米带有两个发射带:一个弱的带隙发射和一个在600nm到830 nm之间的宽发射带;而尺寸较大的CdS纳米带只有一个宽的发射带处于500 nm到700 nm波长范围。(2)以高纯锌粉和CdS粉末为原料,通过一步热蒸发合成了Cd1-xZnxS纳米结构。扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,简写SEM)的观测结果显示在陶瓷舟壁上合成了Cd1-xZnxS纳米棒;在硅衬底上合成了大规模的Cd1-xZnx S羽毛状纳米结构。拉曼光谱的结果显示与纯CdS的拉曼光谱相比,Cd1-xZnxS三元化合物的1LO和2LO模式均向短波长方向偏移,其原因是因为Zn离子的掺入导致了CdS结构波动、声子限制和替代失序的增强。PL测试结果表明Cd1-xZnxS纳米棒在440640nm有个宽发射带;Cd1-x-x ZnxS羽毛状纳米结构在450640 nm有个宽发射带。不同的衬底特性,例如结晶度、热膨胀和衬底与材料之间的晶格失配等参数对纳米晶生长结构起着至关重要的作用。(3)通过两步热蒸发,成功地合成了CdS/CdMoO4复合微米线。第一步热蒸发CdS粉末,在硅衬底上生长出了CdS微米线;第二步在空气氛围里热蒸发二硫化钼(Molybdenum disulfide,简写MoS2),在CdS微米线的表面包覆了一层钼酸镉(Cadmium molybdate,简写CdMoO4)颗粒。SEM和拉曼光谱测试的结果表明所合成的复合材料由CdS和CdMoO4组成。PL测试结果表明CdS/CdMoO4有一个在510nm处的绿光发射带。(4)通过一步热蒸发合成了Zn2SnO4和氧化锌(Zinc oxide,简写ZnO)四足体结构。XRD和室温拉曼光谱分析的结果表明尖晶石相Zn2SnO4倾向于在较高温区生长,而较低温区更适合于六方纤锌矿相ZnO的生长。PL谱的结果显示Zn2SnO4四足体有一个在波长范围450800 nm的不对称的宽发射带,而ZnO四足体只有一个在513 nm处的绿光发射带。
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