CdSe/CdS核/殼納米線的制備及光學(xué)性質(zhì)研究

摘要：CdSe、CdS是重要的II-VI族納米半導(dǎo)體化合物，具有較大的禁帶寬度和激子束縛能，以寬帶隙半導(dǎo)體CdS為殼層包覆窄帶隙半導(dǎo)體CdSe核層，使表面缺陷減少，從而提高核層的熒光量子產(chǎn)率。文章對(duì)CdSe/CdS核/殼納米線進(jìn)行了制備，并探尋了CdSe/CdS核/殼納米線的光學(xué)性質(zhì)，為納米材料在光學(xué)、光子學(xué)方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CdSe；CdS；納米線；半導(dǎo)體；核殼結(jié)構(gòu)；光致發(fā)光 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN304 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.008

Ⅱ-VI化合物半導(dǎo)體是直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，具有非常好的電子和光學(xué)性質(zhì)，在光電器件方面有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，吸引了許多研究者的興趣。CdSe、CdS是重要的Ⅱ-VI族納米半導(dǎo)體化合物，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，有著優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能，在光吸收、光致發(fā)光、光電轉(zhuǎn)換、非線性光學(xué)、光催化傳感器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。以寬帶隙半導(dǎo)體CdS為殼層包覆窄帶隙半導(dǎo)體CdSe核層，兩種不同帶隙的化合物具有相近的晶體結(jié)構(gòu)，使殼層在核層表面的定向生長(zhǎng)成為可能，并使表面缺陷減少，從而提高核層的熒光量子產(chǎn)率，增強(qiáng)光穩(wěn)定性。本文將物理和化學(xué)等實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合，對(duì)CdSe/CdS核/殼納米線進(jìn)行制備，目的是尋找更加簡(jiǎn)單易操作的制備方法，探尋CdSe/CdS核/殼納米線的光學(xué)性質(zhì)，為納米材料在光學(xué)、光子學(xué)方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 CdSe/CdS核/殼納米線的制備方法

CdSe/CdS核/殼納米線是在溫度可控的高溫管式爐中采用兩次升溫化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法獲得的。所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括以下五個(gè)部分：（1）水平管式加熱爐；（2）石英管；（3）移樣棒；（4）氣體供應(yīng)裝置；（5）尾氣處理裝置。

制備過程主要包括以下步驟：

第一，切割好硅片（7mm×5mm）分別用丙酮、去離子水和無水乙醇在超聲波清洗器中清洗10分鐘；第二，用氮?dú)鈱⑶逑春玫墓杵蹈?；第三，放入小型離子濺射儀中鍍金，得到約20nm厚金層的硅片作為收集樣品的襯底。

第一，以CdSe、CdS粉末分別作為核層和殼層蒸發(fā)源，放入不同瓷舟中；第二，將裝有CdSe粉末的瓷舟放入石英管中，并置于管式爐的中心溫區(qū)。在石英管的上游，裝有CdS粉末的瓷舟置于管式爐之外。在石英管的下游，放3～5片鍍金的硅片，如圖1所示；第三，通入氬氫混合氣，1小時(shí)后將管式爐升溫加熱至950℃，氣流量為20sccm，恒溫2小時(shí)生長(zhǎng)成核層的CdSe納米線后，使用一根帶勾的鐵棒將裝有CdSe粉末和CdS粉末的瓷舟位置進(jìn)行交換，再將管式爐的溫度降至750℃，蒸發(fā)CdS粉末，使CdS蒸汽緩慢的沉積在已生長(zhǎng)的CdSe納米線表面形成CdS殼層，恒溫1小時(shí)后在氬氫混合氣的氣氛中冷卻到室溫，在硅襯底表面沉積有一層棕黃色物質(zhì)。

2 CdSe/CdS核/殼納米線的光學(xué)性質(zhì)

在室溫下用顯微共聚焦熒光系統(tǒng)對(duì)CdSe/CdSe核/殼納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了研究，采用波長(zhǎng)為405nm的半導(dǎo)體激光作為激發(fā)源。圖2給出的是單根CdSe/CdS核/殼納米線的PL光譜圖，在圖中可以看到兩個(gè)分立的強(qiáng)度很強(qiáng)的發(fā)光峰，短波段位于515nm處，為綠色發(fā)光峰，長(zhǎng)波段位于709.5nm處，為紅色發(fā)光峰。綠色發(fā)光峰為CdS的帶-帶發(fā)射峰，對(duì)應(yīng)的帶隙與CdS的能帶寬度（Eg=2.4eV）一致，而紅色發(fā)光峰為CdSe的帶-帶發(fā)射峰，對(duì)應(yīng)的帶隙（大約1.75eV）與CdSe塊材的能帶寬度（1.7eV）相比增大了0.05eV，原因可能是由量子限域效應(yīng)引起的發(fā)光峰藍(lán)移。此PL光譜圖說明我們制備所得的樣品為CdSe/CdS核/殼結(jié)構(gòu)的納米線。

圖3是單根CdSe納米線和CdSe/CdS核/殼納米線的PL譜對(duì)比圖，插圖（a）和（b）是對(duì)應(yīng)的暗場(chǎng)發(fā)光圖，可以看到單純的CdSe納米線被光激發(fā)后產(chǎn)生較弱的紅色發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度值約為1243。CdSe納米線的表面存在一定的Se空位，容易捕獲光激發(fā)后產(chǎn)生的電子，使能量以表面態(tài)或非輻射的方式被消耗掉，而導(dǎo)致其發(fā)光效率很低。當(dāng)CdSe納米線包覆一層寬帶隙的CdS后，我們可以看到，同等強(qiáng)度的激光激發(fā)下，單根核殼樣品的發(fā)光亮度明顯增加，如插圖（b），對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波段發(fā)光峰的強(qiáng)度增加了近11倍，發(fā)光強(qiáng)度值約為13756。這主要是由于：一方面，CdSe表面被鈍化后，減少了光生載流子的非輻射弛豫通道；另一方面，殼層的CdS被激發(fā)后產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到核的CdSe線上，而使其發(fā)光效率得到較大的提高。這種通過對(duì)窄帶隙半導(dǎo)體納米線包覆寬帶隙半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)發(fā)光增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可能會(huì)在未來光子學(xué)器件中發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)語

我們采用二次升溫化學(xué)氣相沉積方法，首次一步合成出一維CdSe/CdS核殼納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)。采用熒光顯微共聚焦系統(tǒng)對(duì)單根CdSe/CdS核殼納米線進(jìn)行了光學(xué)性質(zhì)的研究，與純CdSe納米線的熒光光譜相比，CdSe納米線在包覆CdS殼層結(jié)構(gòu)后，具有明顯的熒光增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)倍數(shù)可以達(dá)到11倍。這是因?yàn)镃dS包覆層對(duì)激光產(chǎn)生了明顯的光學(xué)限域效應(yīng)，并且殼層被激發(fā)的能量也可轉(zhuǎn)移到核層，提高CdSe納米線的發(fā)光效率。該類一維半導(dǎo)體核殼納米線結(jié)構(gòu)在太陽能電池、發(fā)光二極管和低閾值激光器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：趙輝，女，河北邯鄲人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心審查員，研究方向：半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)＠麑彶椤?/p>

（責(zé)任編輯：周 瓊）