CN101941681B - 制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的方法及装置。该制备方法基于气相沉积法，在生长纳米材料的过程中，通过磁铁调节硫化镉和硒化镉石英舟在管式高温炉中的位置来连续调节硫化镉和硒化镉的蒸气浓度比来实现在同一根纳米带或纳米线上带隙的单调连续过渡。该制备方法简单、低成本，所制备的单根纳米材料上硫元素和硒元素的比例可以从1∶0连续过渡到0∶1，这种纳米材料在可调谐激光器、宽带激光器、白光LED和宽光谱探测器等领域具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及硫硒化镉纳米材料的方法及装置，尤其是涉及一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的方法及装置。
背景技术
半导体纳米材料，包括纳米线、纳米带等，因其具有优异的物理特性，被广泛应用于传感、激光、波导、光电子器件等领域，受到广泛的关注。带隙作为半导体材料的重要参数，直接决定材料的吸收和发光光谱。II-IV族化合物是一种可调的宽带隙半导体材料，比如硫硒化镉可以通过改变硫硒两种元素的比例来调节带隙，从而获得单一的半导体材料和二元化合物所无法实现的带隙宽度。目前这种材料在纳米颗粒和薄膜上显示了它独特的带隙可调特性，在一维纳米材料上的应用还很少，文献“A.L.Pan，H.Yang，R.B.Liu，R.C.Yu，B.S.Zou，Z.L.Wang，Color-Tunable Photoluminescence of Alloyed CdSxSe1-xNanobelts.J.Am.Chem.Soc.2005，127，15692-15693”报道已成功合成硫化镉锌和硫硒化镉纳米带，但是这种方法一次只能合成一种组分的纳米材料，获得连续组份难道很大。最近，文献“A.LPan，R.B.Liu，M.H.Sun，and C.Z.Ning，Quaternary AlloySemiconductor Nanobelts with Bandgap Spanning the Entire Visible Spectrum.J.Am.Chem.Soc.2009，131，9502-9503”报道了通过气相沉积温度梯度分布合成了在基片上组份连续变化的硫硒化锌镉纳米带的方法，即生长基片上的温度连续变化，导致在不同的位置上生长出的纳米材料元素组份和带隙不同。这种方法可以获得荧光从紫外到红色的所有光谱，但每种光谱只能在一根材料上，限制了它的应用，在器件上很难做到真正的连续可调和连续宽光谱。鉴于上述原因，在气相沉积法生长纳米材料的过程中，我们通过连续调节材料的蒸气浓度比来实现在同一根纳米材料上带隙的单调连续过渡。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于改进的气相沉积法实现在同一根II-IV族半导体纳米材料上带隙单调连续过渡的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的方法：
1)在管式高温炉的石英管内，将镀金硅片放置在石英片上，石英片放置在管式高温炉外侧靠近真空泵的低温区，相同质量的硫化镉和硒化镉材料分别放置在两个石英舟中，石英片下方能容纳石英舟，硫化镉石英舟放置在管式高温炉中间的高温区，硒化镉石英舟放置在管式高温炉外侧靠近氮气进气口的低温区，两个舟之间放置石英棒，硒化镉石英舟和受直线电机控制的石英棒连接；石英管密封两端密封，抽真空到100Pa以下，再通纯氮气到大气压，再抽到100Pa以下，如此往复3～10次以除去石英管中的氧气，最后保持管内的压强为60000Pa，氮气气流为150ml/min；
2)开始以40℃每分钟的速度升温到750～950℃，保持750～950℃35分钟，通过金的催化，硫化镉蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线。这个过程中只有硫化镉的生长；
3)直线电机以每分钟0.1～1厘米的速度把硒化镉石英舟往高温炉中间的高温区推动，同时高温区的硫化镉石英舟被石英棒顶出高温区，这个过程中硒化镉的蒸气浓度比例升高，直线电机把硒化镉石英舟推向管式高温炉中间的高温区，同时硫化镉石英舟从高温区被顶向石英片下方的低温区；通过金的催化，硫化镉和硒化镉的混合蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线，这个过程持续20～60分钟；
4)当直线电机把硒化镉石英舟刚好推到管式高温炉中间的高温区时直线电机停止，再继续保持750～950℃35分钟，通过金的催化，硒化镉蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线，这个过程中只有硒化镉的生长；
5)关闭管式高温炉并自然降温，等高温炉温度降到室温时取出镀金硅片，得到硫硒化镉纳米线和纳米带。
所述步骤2)中当750～780℃对应的制备产物为纳米带；780～950℃对应的制备产物为纳米线。
二、一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的装置：
将石英管安装在管式高温炉内，将镀金硅片放置在石英片上，放置镀金硅片的石英片用磁铁吸附于管式高温炉降温区石英管的上方，硫化镉石英舟放置在管式高温炉中间石英管高温区的下方，硒化镉石英舟放置在管式高温炉外石英管低温区的下方，硫化镉石英舟和硒化镉石英舟间用顶硫化镉石英舟的石英棒连接，受直线电机控制的石英棒的一端与硒化镉石英舟连接，受直线电机控制的石英棒的另一端经另一磁铁与石英管外的直线电机连接；硫化镉石英舟能从石英片下部通过；石英管两端用硅橡胶O型圈密封，靠近石英片一端的石英管端面与真空泵连接，另一端的石英管端面与氮气连接。
所述镀金硅片为长5mm，宽15mm的矩形硅片，用等离子溅射仪或热蒸发镀金，镀金厚度为2nm～10nm。
所述管式高温炉为电阻丝加热的管式高温炉；安装在管式高温炉内的石英管，其内径为45cm，外径为50cm，长为1.5米的石英管。
本发明具有的有益效果是：
本发明的带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的制备方法适用范围广，可以使用硫化锌代替硫化镉拓宽光谱到紫外，也可用类似方法制备III-V族带隙连续变化纳米材料。用本发明制备方法简单、低成本，所制备的单根纳米材料上硫元素和硒元素的比例可以从1∶0连续过渡到0∶1，这种纳米材料在可调谐激光器、宽带激光器、白光LED和宽光谱探测器等领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是制备方法的装置示意图。
图2是制备的纳米材料的扫描电子显微镜图。
图3是沿单根纳米材料的硒元素含量和带隙能量的变化曲线。
图4是取单根纳米材料上三个点拍的透射电子显微镜高分辨和衍射花样图。
图中：1、管式高温炉，2、石英管，3、石英片，4、镀金硅片，5、硫化镉石英舟，6、硒化镉石英舟，7、顶硫化镉石英舟的石英棒，8、受直线电机控制的石英棒，9、磁铁，10、直线电机。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明将石英管2安装在管式高温炉1内，将镀金硅片4放置在石英片3上，放置镀金硅片4的石英片3用磁铁吸附于管式高温炉1降温区石英管2的上方，硫化镉石英舟5放置在管式高温炉3中间石英管2高温区的下方，硒化镉石英舟6放置在管式高温炉3外石英管2低温区的下方，硫化镉石英舟5和硒化镉石英舟6间用顶硫化镉石英舟的石英棒7连接，受直线电机控制的石英棒8的一端与硒化镉石英舟6连接，受直线电机控制的石英棒8的另一端经另一磁铁9与石英管2外的直线电机10连接；硫化镉石英舟5能从石英片3下部通过；石英管2两端用硅橡胶O型圈密封，靠近石英片3一端的石英管2端面与真空泵连接，另一端的石英管2端面与氮气连接。
上述的管式高温炉为电阻丝加热的管式高温炉中插入一根内径45cm，外径50cm，长1.5米的石英管，石英管两端用硅橡胶O型圈密封，密封法兰上装有真空规和气压控制装置，真空泵和氮气供气系统配合气压控制装置完成气压和气流的稳定。
上述的镀金硅片为长5mm，宽15mm的矩形硅片，用等离子溅射仪或热蒸发镀金，厚度在2～10nm，硅片平整摆放在石英片上，覆盖从高温到低温的过渡区域。
上述的放置硅片的石英片为一块矩形石英片，一端固定磁铁和石英管上方的磁铁互吸，使石英片水平吸附在石英管内的上方。
上述的直线电机为步进电机驱动的丝杆平移装置，平移台上安装一块强力磁铁。
上述的推动硒化镉石英舟的石英棒为一端固定有强力磁铁，一端有钩的石英棒。石英棒放置在管式高温炉的石英管内，有强力磁铁的一端和石英管外的直线电机上的磁铁相互吸引，有钩的一端扣住石英舟，使得石英舟可以在石英管内跟随直线电机移动。
实施例1是制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米带的方法，该方法的步骤如下：
1.实验设备为一台电阻丝加热的管式高温炉1，准备好镀金厚度在10nm的硅片4，放置在石英片3上，石英片放置在高温炉的降温区，石英片下方能刚好容纳石英舟5，硫化镉和硒化镉材料各0.5g放置在石英舟中，硫化镉石英舟5放置在管式高温炉的中间，即温度最高的区域，硒化镉石英舟6放置在管式高温炉1外侧靠近氮气进气口的低温区，两个舟之间放置一段石英棒7，硒化镉石英舟和受直线电机控制的石英棒8连接。以上提到的石英片和石英舟都是放置在管式高温炉的石英管2内。对石英管密封抽真空到10Pa左右，再通纯氮气到大气压，再抽到10Pa，如此往复5次以除去石英管中的氧气，最后保持管内的压强为60000Pa，氮气的气流为150ml/min。
2.开始以40摄氏度每分钟的速度升温到780℃，保持780℃35分钟，通过金的催化，硫化镉蒸气在镀金硅片4上生长出纳米带。这个过程中只有硫化镉的生长。
3.直线电机10以每分钟0.5厘米的速度把硒化镉石英舟6往管式高温炉1中间的高温区推动，同时高温区的硫化镉石英舟5被石英棒7顶出高温区，这个过程中硒化镉的蒸气浓度比例升高，直线电机10把硒化镉石英舟6推向管式高温炉1中间的高温区，同时硫化镉石英舟5从高温区被顶向石英片3下方的低温区，通过金的催化，硫化镉和硒化镉的混合蒸气在镀金硅片上生长出纳米带，这个过程持续60分钟。
4.当直线电机10把硒化镉石英舟6刚好推到管式高温炉1中间的高温区时直线电机10停止，再继续保持780℃35分钟，通过金的催化，硒化镉蒸气在镀金硅片4上生长出纳米带和纳米线，这个过程中只有硒化镉的生长。
5.关闭管式高温炉并自然降温，等管式高温炉1温度降到室温时取出镀金硅片4。用扫描电子显微镜即可看到硫硒化镉纳米带，如图2。
实施例2是制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米线的方法，该方法的步骤如下：
该方法的步骤和制备纳米带的步骤不同的是生长温度为850℃，其它步骤及参数与实施例1相同。
以上实施方式制备的纳米材料长度到百微米量级，纳米线的直径从200nm到2μm，纳米带的宽度从200nm到5μm，厚度小于100nm。由图3看出沿着单根纳米带，硒元素含量和带隙是单调连续变化的，硒元素从0到100％对应的带隙为2.4ev到1.7ev。由图4看出制备的纳米带是结晶度很好的单晶，沿001方向生长，纳米带的不同位置对应不同的晶格参数。
Claims (5)
1.一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)在管式高温炉的石英管内，将镀金硅片放置在石英片上，石英片放置在管式高温炉外侧靠近真空泵的低温区，相同质量的硫化镉和硒化镉材料分别放置在两个石英舟中，石英片下方能容纳石英舟，硫化镉石英舟放置在管式高温炉中间的高温区，硒化镉石英舟放置在管式高温炉外侧靠近氮气进气口的低温区，两个舟之间放置石英棒，硒化镉石英舟和受直线电机控制的石英棒连接；石英管密封两端密封，抽真空到100Pa以下，再通纯氮气到大气压，再抽到100Pa以下，如此往复3～10次以除去石英管中的氧气，最后保持管内的压强为60000Pa，氮气气流为150毫升/分；
2)开始以40℃每分钟的速度升温到750～950℃，保持750～950℃35分钟，通过金的催化，硫化镉蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线，这个过程中只有硫化镉的生长；
3)直线电机以每分钟0.1～1厘米的速度把硒化镉石英舟往管式高温炉中间的高温区推动，同时高温区的硫化镉石英舟被石英棒顶出高温区，这个过程中硒化镉的蒸气浓度比例升高，直线电机把硒化镉石英舟推向管式高温炉中间的高温区，同时硫化镉石英舟从高温区被顶向石英片下方的低温区；通过金的催化，硫化镉和硒化镉的混合蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线，这个过程持续20～60分钟；
4)当直线电机把硒化镉石英舟刚好推到管式高温炉中间的高温区时直线电机停止，再继续保持750～950℃35分钟，通过金的催化，硒化镉蒸气在镀金硅片上生长出纳米带和纳米线，这个过程中只有硒化镉的生长；
5)关闭管式高温炉并自然降温，等管式高温炉温度降到室温时取出镀金硅片，得到硫硒化镉纳米线和纳米带。
2.权利要求1所述的一种带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中当750～780℃对应的制备产物为纳米带；780～950℃，但不包括780℃对应的制备产物为纳米线。
3.根据权利要求1所述方法的一种制备带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的装置，其特征在于：将石英管(2)安装在管式高温炉(1)内，将镀金硅片(4)放置在石英片(3)上，放置镀金硅片(4)的石英片(3)用磁铁吸附于管式高温炉(1)降温区石英管(2)的上方，硫化镉石英舟(5)放置在管式高温炉(1)中间石英管(2)高温区的下方，硒化镉石英舟(6)放置在管式高温炉(1)外石英管(2)低温区的下方，硫化镉石英舟(5)和硒化镉石英舟(6)间用顶硫化镉石英舟的石英棒(7)连接，受直线电机控制的石英棒(8)的一端与硒化镉石英舟(6)连接，受直线电机控制的石英棒(8)的另一端经另一磁铁与石英管(2)外的直线电机(10)连接；硫化镉石英舟(5)能从石英片(3)下部通过；石英管(2)两端用硅橡胶O型圈密封，靠近石英片(3)一端的石英管(2)端面与真空泵连接，另一端的石英管(2)端面与氮气连接。
4.根据权利要求3所述的一种带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的制备装置，其特征在于：所述镀金硅片(4)为长5mm，宽15mm的矩形硅片，用等离子溅射仪或热蒸发镀金，镀金厚度为2nm～10nm。
5.根据权利要求3所述的一种带隙单调连续变化的硫硒化镉纳米材料的制备装置，其特征在于：所述管式高温炉(1)为电阻丝加热的管式高温炉；安装在管式高温炉(1)内的石英管(2)，其内径为45cm，外径为50cm，长为1.5米的石英管。
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