[发明专利]一种CdS/ZnO核壳结构纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及纳米线的制备方法，尤其涉及一种CdS/ZnO核壳结构纳米线的制备方法。

背景技术

CdS/ZnO纳米线核壳结构是量子点敏化太阳电池(QDSSCs)的关键结构，是目前纳米材料领域的研究热点和重点。该结构在现有报道中主要在水溶液环境中制备(ZnO纳米线制备方法：水热法、电化学沉积等，CdS包裹层制备方法：连续离子层吸附与反应技术(SILAR)、低温水热法(CBD法)等)。这一制备方法局限了QDSSCs转化效率的进一步提高以及研究成果的推广转化：1、低温生长ZnO纳米线表面存在大量缺陷，会捕获输运的载流子，从而降低器件性能。2、CBD方法或SILAR方法包裹CdS量子点需要将ZnO基片多次或者长时间浸泡在水溶液中，这一过程将会引入更多的ZnO表面缺陷。3、溶液制备环境复杂、工艺稳定性差，难以进行大面积生长和工业化推广应用。为解决这些问题，其他研究小组也开始研究采用别的方法制备该类纳米线核壳结构。有研究小组在水热法制备ZnO纳米线阵列基底上采用脉冲激光沉积方法(Pulse laser deposition,PLD)沉积一层CdS多晶薄膜，然后通过退火等工艺提高CdS包裹层的结晶质量，从而提高CdS量子点的光学性能和CdS/ZnO纳米线核壳结构的界面电子输运性能。采用PLD、磁控溅射以及热蒸发等物理沉积方法制备的CdS包裹层，其晶体质量较差，导致敏化材料的吸光性能与电学性能都较差。同时由于纳米线生长交错、相互覆盖，物理沉积方法无法保证纳米线表面完全包裹CdS。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种新的CdS/ZnO核壳结构纳米线制备的方法。

本发明的CdS/ZnO核壳结构纳米线的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、在清洁的衬底表面制备籽晶层；

步骤2、将步骤1获得的具有籽晶层的衬底置于高温管式炉中，以充分混合的高纯ZnO和C粉为反应源，将反应源温度升至900～950℃，衬底温度为400～500℃，制备得到ZnO纳米线阵列；

步骤3、对ZnO纳米线进行表面硫化处理；

步骤4、包裹CdS壳层结构；将经步骤3处理样品放入管式炉末端低温区中，以高纯CdO 粉末与石墨粉末的混合物作为Cd源，以高纯S粉作为S源；将ZnO纳米线衬底、CdO和石墨混合粉末与S粉分别快速加热至200～250℃、450～500℃和250～300℃；CdO与石墨粉在高温下发生还原反应，形成Cd金属蒸汽；Cd金属蒸汽与S蒸汽在经过S化的ZnO纳米线表面沉积，形成CdS/ZnO核壳纳米线结构。

作为优选:步骤1和步骤2具体包括如下步骤：

ZnO纳米线采用化学气相沉积的方法制备。首先制备仔晶，将六水硝酸锌(Zn(NO₃)₂.6H₂O)溶于乙二醇单甲醚中升温至50～65℃搅拌30分钟，然后加入与Zn(NO₃)₂.6H₂O等摩尔量的乙醇胺，再搅拌陈化1～3小时后，然后降至室温，形成ZnO籽晶旋涂液。将ZnO籽晶旋涂液用旋涂方法旋涂在衬底表面，然后在真空中晶化，晶化温度为400～500℃，晶化时间为60～90分钟。然后采用CVD(chemical vapor deposition)方法制备ZnO纳米线。将ZnO籽晶衬底放置在CVD加热管出气口(低温区)，将ZnO与C粉混合粉末放置在CVD加热管中部(高温端)。通过设定CVD温度与衬底在加热管中的位置，使衬底温度在400～500℃，ZnO粉末与C粉的混合物温度在900～950℃，通入N₂流量为300ml/min。ZnO粉末与C粉在高温下发生还原反应，形成Zn金属蒸汽。Zn金属蒸汽被N₂带至衬底表面，再与CO₂发生氧化反应，沉积在籽晶表面形成ZnO纳米线。ZnO纳米线长度与直径可以通过控制生长时间进行调控。

作为优选:步骤3具体包括如下步骤：

将生长有ZnO纳米线的衬底浸入1,2-乙二硫醇的乙腈溶液中或者浸入Na₂S的水溶液中浸泡5～15分钟，然后将衬底放入真空管中在150～200℃退火30～60分钟。表面硫化工艺的作用是使ZnO纳米线表面形成S悬挂键，有利于CdS分子的沉积。

作为优选:步骤4具体包括如下步骤：