一种催化剂辅助真空热蒸发生长CdS纳米棒的方法

摘要

本发明公开了一种催化剂辅助真空热蒸发生长II－VI族半导体化合物CdS纳米棒的方法，是通过以下工艺过程实现的：将CdS粉末和金属Bi粉末按摩尔比为1∶0.01－1∶0.35的比例均匀混合作为原料，置于钼片制成的电阻加热舟中，并在舟上方3毫米－3厘米处放置各种衬底。当内置上述蒸发沉积系统的真空蒸发炉腔体达到2×10

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构生长领域，具体涉及一种催化剂辅助真空热蒸发生长微观形貌为纳米棒CdS的方法。

背景技术

CdS属于II-VI族半导体材料，同该族其他半导体材料一样是直接能隙半导体，室温下的禁带宽度为2.42电子伏特，属可见光范畴。在光电子领域，它是非常重要的一种半导体材料，可被用于构建非线性光学器件和发光二极管。同时它也是很好的光活性波导和电致发光材料，可被广泛用于通讯、信息存储以及高集成的化学或生物传感器等领域。近年来，纳米材料的发展显示，纳米尺度的材料很可能有更优异的性质，可以制备出性能更好的器件。在纳米材料中，一维纳米材料，包括纳米棒、纳米线等都有重要的技术应用前景，是当前材料科学技术研究的热点之一。目前已有的众多生长一维纳米结构的方法中，热蒸发法和化学气相沉积法是操作相对简单、成本廉价的方法。美国华盛顿大学Younan Xia小组采用空气中热氧化法在Cu衬底表面氧化生成了具有均匀阵列密度的CuO纳米线阵列，参阅Nano Lett.第12期第2卷1334-1338页；中国中山大学N.S.Xu小组采用直接热蒸发法在(100)Si衬底上生成了高度与直径均一性良好的MoO₃纳米线阵列，并且该纳米线阵列具有良好的场发射特性，参阅Appl.Phys.Lett.第13期第83卷2653-2655页；中科院物理所H.J.Gao小组在2005年使用直径为0.3mm的钨丝为蒸发源采用热蒸发法在(111)Si衬底上生成具有强光致发光性质的氧化钨纳米线，参阅Appl.Phys.Lett.第86期第141901页。上述方法均存在两个过程：(1)热蒸发过程；(2)氧化过程，因此这种方法只适合于制备金属氧化物的纳米结构，无法应用于其他非氧化合物纳米结构的制备之中。

化学气相沉积法在制备材料的纳米棒、纳米线等结构方面有大量的报道。如G.X.Wang等以CdSe粉为原料，以氩气为载气，在镀金的衬底上生长了各种形貌的CdSe纳米线，参阅Appl.Phys.Lett.2006年第88期第193115页；Z.Q.Wang等以Cd棒和S粉为原料，氮气为载气，在无催化剂附着的不锈钢衬底上生长了CdS纳米带，参阅Appl.Phys.Lett.2006年第89期第033102页；R.M.Ma等以CdS粉为原料，氩气为载气，在镀金的(111)Si衬底上生长出具有网络结构的CdS纳米线，参阅Nanotechnology 2007年第18期第205605页；Soumitra Kar等以CdS粉为原料，氩气为载气，在镀金的Si衬底上生长出了各种一维纳米结构，其中包括了纳米线，纳米带，网络结构纳米线，珍珠链状纳米线和纳米线阵列，参阅J.Phys.Chem.B 2006年第110期第4542页。一般说来，化学气相沉积生长纳米棒或线要求用气体来传输生长物。

可以看到，目前用热蒸发法制备纳米棒的典型材料为金属氧化物，没有制备硫化镉纳米棒的报道，化学气相沉积法制备硫化镉纳米棒需要引入反应气和载气，不易控制，很难在多种衬底上得到大面积形貌均匀的纳米结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化剂辅助真空热蒸发法生长CdS纳米棒的方法，该方法能够获得微观形貌为纳米棒的CdS。

本发明是通过以下工艺过程实现的：

以铋金属粉末做为催化剂，高纯CdS粉末(99.5％)为原料，按摩尔比为1:0.35-1:0.01将CdS粉末与铋金属粉末均匀混合后置于钼片做成的电阻加热舟中，将衬底置于蒸发源上方3毫米至3厘米处，当包含有电阻加热舟和衬底的真空蒸发炉腔体的真空度达到2×10^-2-2×10^-3Pa后，优选在2×10^-3时，密闭腔体，通电流为100-180A热蒸发沉积5min-15min，在衬底上发现黄色或黄褐色的沉积物，即为CdS纳米棒。

其中，所述纳米结构为长度为1-2μm，直径为50-60nm的纳米棒和/或长度为3-5μm，直径最大处为500-800nm的大头针状纳米棒和/或长度为5-10μm，直径为100-200nm的纳米线和/或直径为50-300nm的纳米线阵列。

进一步地，所述衬底为ITO玻璃、石英玻璃、硅片、钼片、镍片、蓝宝石片等。

进一步地，所述真空蒸发炉为电阻式加热，优选加热器为钼片的蒸发炉，更优选蒸发源直接放置于钼片加热器上。

本发明制备出的CdS纳米棒为晶态的六方相CdS，如图1所示，其表面形貌如图2，图3，图4所示。本发明直接使用混合的Bi和CdS粉为原料，将蒸发源和沉积区域分离，有效的避免了杂质和其他副产物的影响，获得的CdS纳米棒具有沉积面积大、形貌较均匀，结晶性好等特点。同时，本发明的方法简单，易于推广，适合于大规模的工业生产。

附图说明

图1实施例1产品的XRD图谱，★表示催化剂Bi的衍射峰，●表示产物CdS的衍射峰，■表示衬底钼的衍射峰。

图2实施例1产品的扫描电镜图片。

图3实施例2产品的扫描电镜图片。

图4实施例3产品的扫描电镜图片。

具体实施方式

实施例1

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.125mol均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，用另一钼片作为衬底置于蒸发源上方约5mm处。当真空度达到8×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/分钟的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持10分钟。在沉底表面有黄色沉积物。SEM观察衬底沉积物的表面形貌为大头针状纳米棒，其大头端为500-800nm颗粒，与颗粒相连纳米棒直径由300-500nm逐渐减小，棒长为3-5μm，如图2。XRD分析结果表明产品的主相为六方CdS，催化剂为六方Bi，如图1。

实施例2

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.04mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，ITO玻璃为衬底置于蒸发源上方约2cm处。当真空度达到8×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持15分钟。在衬底表面有黄色沉积物。SEM观察衬底沉积物的表面形貌为长度为1-2μm，直径为50-60nm的纳米棒，如图3。

实施例3

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.312mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，硅片作为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到8×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A保持15分钟。在衬底表面有黄色沉积物。SEM观察沉积物的表而形貌为分布均匀的长度为5-10μm，直径为100-200nm的纳米棒，如图4。

实施例4

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mo1:0.08mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，另一钼片为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到2×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持10分钟。钼衬底上得到的黄色沉积物分析显示制备得到了CdS纳米棒。

实施例5

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.125mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，另一钼片为衬底置于蒸发源上方约5mm处。当真空度达到8×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持15min。钼片上得到的黄色沉积物分析显示制备得到了CdS纳米棒。

实施例6

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.08mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到2×10^-2Pa后，封闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持15min。硅片上得到的黄色沉积物即为本发明制备得到的CdS纳米棒。

实施例7

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.08mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约2cm处。当真空度达到1.5×10^-2Pa后，封闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至140A后保持15min。硅片上得到的黄褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。

实施例8

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.125mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，蓝宝石片做为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到2×10^-2Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至130A后保持10min。蓝宝石片上得到的黄色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。

实施例9

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.18mol的比例均匀混合后，将得到的粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到9×10^-3Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至120A后保持10min。硅片上得到的黄色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。

实施例10

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属铋粉为催化剂，两者按1mol:0.08mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约1.5cm处。当真空度达到2×10^-2Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至150A后保持10min。硅片上得到的黄褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。

实施例11

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属锡粉为催化剂，两者按1mol:0.08mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约1.5cm处。当真空度达到2×10^-2Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至150A后保持10min。硅片上得到的黄褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。

实施例12

采用高纯CdS粉末(99.5％)为原料，高纯金属锡粉为催化剂，两者按1mol:0.15mol的比例均匀混合后，将粉末直接放置到钼片加热器之上，单晶硅片为衬底置于蒸发源上方约1cm处。当真空度达到2×10^-2Pa后，密闭蒸发腔体，以2.5A/min的电流增加速率使电流逐渐增加至140A后保持10min。硅片上得到的黄褐色沉积物即为本发明制备得到的纳米棒。