CdS納米結(jié)構(gòu)的合成、表征和性能研究.pdf

1、作為一種典型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶直接半導(dǎo)體，室溫下其禁帶寬度為2.42eV，CdS具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換特性和發(fā)光性能。隨著尺寸的減小和形貌的變化，CdS納米結(jié)構(gòu)的禁帶寬度發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致其表現(xiàn)出不同于塊材的、優(yōu)異的光電性能，在發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、光電顯示器件等方面具有潛在的應(yīng)用。人們利用各種方法對(duì)CdS納米粒子的形貌、粒徑大小和粒徑分布進(jìn)行控制，可以得到具有不同光電性質(zhì)的材料。 本文首先介紹了納米材料的分類(lèi)、特性及納米材料的合

2、成方法，然后詳細(xì)綜述了Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體化合物CdS納米結(jié)構(gòu)的合成、表征及性能的研究現(xiàn)狀。利用有機(jī)物的表面修飾作用，輔助水熱法合成了分散性良好的纖鋅礦CdS納米顆粒。分析了纖鋅礦CdS的結(jié)構(gòu)特性，在溶劑熱系統(tǒng)中引入選擇性吸附的表面修飾劑，和選擇不同性質(zhì)的反應(yīng)物料及溶劑，溶劑熱法合成了CdS納米點(diǎn)、納米棒/線和復(fù)雜形貌的的枝杈晶。 本研究的主要工作和取得的主要結(jié)果如下：1.小尺寸的CdS納米粒子分散性差，易于團(tuán)聚，光電性能降低，不利于

3、實(shí)際應(yīng)用。本研究在水熱系統(tǒng)中引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)對(duì)CdS納米粒子表面進(jìn)行修飾，得到了分散性和光學(xué)性能良好的CdS納米顆粒。PVP結(jié)構(gòu)中的C=O可以與CdS表面形成較強(qiáng)的作用，吸附于顆粒的表面，有效地限制了CdS納米顆粒的長(zhǎng)大。并且由于PVP的表面吸附作用，不僅抑制了CdS納米顆粒的團(tuán)聚，而且修飾了納米顆粒的表面缺陷，使得合成的CdS納米點(diǎn)具有良好的分散性和紫外吸收性能。 2.以CdCl2和Na2S·9H2O為反應(yīng)源，以不

4、同比例的乙二胺(en)和乙二醇的混合溶液為溶劑，溶劑熱法合成了CdS納米點(diǎn)、納米棒和2至4個(gè)納米棒通過(guò)一點(diǎn)連接在一起的多枝杈結(jié)構(gòu)。不同極性的乙二胺和乙二醇溶劑與反應(yīng)物的結(jié)合力不同，從而影響體系中反應(yīng)物有效濃度，乙二醇中較高的有效單體濃度有利于立方閃鋅礦相CdS成核，導(dǎo)致立方相和六角纖鋅礦相復(fù)相CdS納米顆粒粉體的合成。而乙二胺與反應(yīng)物有較強(qiáng)的絡(luò)合作用，使得反應(yīng)物的有效濃度降低，抑制了立方相CdS的生成，可以得到純纖鋅礦相的CdS粉體。并

5、且由于纖鋅礦CdS的本征結(jié)構(gòu)有取向生長(zhǎng)的特性，使得纖鋅礦CdS生長(zhǎng)為納米棒。立方相CdS的晶核的{111}晶面族的四個(gè)等晶面與六角相CdS的(001)晶面相同，可以在這四個(gè)面上生長(zhǎng)出2至4個(gè)纖鋅礦結(jié)構(gòu)納米棒，形成連接在一起的多枝杈結(jié)構(gòu)。 3.以CdCl2和硫脲為反應(yīng)物料，以乙二胺為溶劑，引入適量PVP作為表面修飾劑限制納米線側(cè)面的生長(zhǎng)，溶劑熱法合成了結(jié)晶較好的CdS納米棒，直徑約為20nm，長(zhǎng)至2微米。PVP的表面吸附作用，不僅

6、增強(qiáng)了CdS取向生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了納米棒的合成，而且修飾了CdS納米棒的表面缺陷，使其具有良好的光學(xué)性能。 4.利用溶劑熱方法，采用CdCl2和硫粉作為反應(yīng)源，乙二胺為溶劑，在200℃下反應(yīng)12小時(shí)，合成了大量尺寸均一，具有較大長(zhǎng)徑比的纖鋅礦結(jié)構(gòu)CdS納米線，其直徑在40nm，長(zhǎng)度達(dá)10微米以上。硫粉溶于乙二胺溶劑，生成一些硫銨結(jié)構(gòu)，它們之間較強(qiáng)的作用減緩了自由硫離子釋放的速度，反應(yīng)物的有效濃度進(jìn)一步降低，更有利于纖鋅礦結(jié)構(gòu)CdS沿c

7、軸方向的取向生長(zhǎng)，導(dǎo)致較大長(zhǎng)徑比的CdS納米線的合成。利用該方法制備CdS納米線，方法簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大，而且獲得的晶體具有明顯的量子尺寸效應(yīng)，在短波長(zhǎng)處具有較好的發(fā)光性能。 5.利用水熱法，以CdCl2和硫脲為反應(yīng)物料，采用聚乙二醇(PEG)為表面修飾劑，在200℃下水熱處理Cd2+-thiourea絡(luò)合物合成了大量的等級(jí)狀CdS樹(shù)枝晶。這些樹(shù)枝晶具有規(guī)則的等級(jí)狀形貌，即一個(gè)主干的同一軸向位置上三次對(duì)稱生長(zhǎng)二次側(cè)枝，并且每一排側(cè)枝互