CN107604341A - 一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料及其制备方法，属于发光和光电化学纳米材料领域。所述方法如下：1、用无水乙醇和去离子水冲洗石英衬底，然后氮气吹干；2、取ZnO置于陶瓷舟中间，陶瓷舟置于CVD管式炉中心部，设置管式炉工作参数，保持40min，得到ZnO纳米线；3、将Ag靶材置于直流溅射靶上，负载有ZnO纳米线的石英衬底置于溅射室旋转底座，设置直流溅射参数，保持30min后，得到Ag和ZnO复合纳米线材料。本发明的优点是：为获得丰富的微纳结构复合材料提供新方法，促进多种方法的结合使用。制备的Ag和ZnO复合纳米线材料具有强的光发射和优异的光电化学性能，这种制备方法提高了一维ZnO基的光发射强度和光电子密度。
Description
技术领域
本发明属于发光和光电化学纳米材料领域，具体涉及一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料及其制备方法。
背景技术
发光材料在诸多光电子器件中有着十分广泛而重要的应用，而光电化学材料有利于能源材料的开发与应用。然而很多光电器件和能源材料重要的问题之一就是设计并研究优异性能的发光和光电化学材料。金属复合不仅可以使半导体纳米材料的发光特性发生变化，进而增强场光子发射性质，而且金属导致电子数密度有效增强，使得宽带半导体纳米材料光电化学性能发生改变。
金属与半导体复合纳米材料独特结构和形貌决定了它具有诸多特性和特殊效应，已经在能源环境、光电探测、国防通信、冶金制造、生物医学等领域被广泛应用。因此，探索新型纳米复合材料及其温和简便、可控的制备方法，被研究者广泛关注。目前，制备技术主要集中在化学方法制备的一维纳米材料。化学方法在控制条件方面较少，无法实现更多方面的人为设置控制变量。然而，近年来由于半导体微纳结构设想的提出和制备技术的重大突破，实现了不同金属元素与ZnO基的各种微纳结构复合材料制备，使得ZnO半导体材料光电器件应用性能得到了很大改善。采用磁控溅射和化学气相沉积设计并制备Ag和ZnO复合纳米线材料，进而获得一维Ag和 ZnO复合纳米线作为优异的发光体和光电化学材料，是一个可行的方案。另外，关于材料性质的研究方面,单一ZnO基体纳米材料在可见光区发光强度较弱，光生电荷的复合几率高,以及光电转换效率、电荷分离效率和光电转化能力不高。基于强表面等离子体共振效应的金属纳米颗粒修饰，可以有效提高辐照光的吸收，抑制光生激子的复合，提高光电化学性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中光电化学材料发光强度弱、光电转换效率低的问题，提供一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料及其制备方法，该种材料具有强的光发射和光电化学性能，该种方法提高了一维ZnO基的光发射强度和光电子密度。
本发明为实现上述目的，采取的技术方案如下：
一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料，所述材料由Ag和ZnO按照1:4～5的质量比制备而成。
一种上述基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：对双抛光的石英衬底进行冲洗，先用无水乙醇冲洗10～20min，再用去离子水冲洗10～20min，然后用纯氮气将石英衬底吹干；
步骤二：取0.5～1g ZnO粉末置于陶瓷舟中间，将步骤一吹干的双抛光石英衬底放置于陶瓷舟的一侧，将陶瓷舟放置于CVD管式炉的中心部，使石英衬底的这一侧位于刚玉管的出气端，设置管式炉的压力为1～3Pa，温度为1100～1250℃，纯氩气作为载气体，氩气流量为50～80sccm，保持30～60min，得到ZnO纳米线；
步骤三：将Ag靶材置于直流溅射靶上，将步骤二得到的负载有ZnO纳米线的石英衬底置于溅射室旋转底座，设置直流溅射功率为8～12W，工作压力为1～3Pa，纯氩气作为溅射气体，石英衬底温度保持80～120℃，溅射过程中溅射室内部真空度为4.0×10-4～6.5×10- 4Pa，保持20～40min后，得到Ag和ZnO复合纳米线材料。
本发明相对于现有技术的有益效果是：采用化学气相沉积和磁控溅射技术成功获得Ag和ZnO复合纳米线材料，为获得丰富的微纳结构复合材料提供新方法，促进多种方法的结合使用。制备的Ag和ZnO复合纳米线材料具有强的光发射和优异的光电化学性能，这种制备方法提高了一维ZnO基的光发射强度和光电子密度。
附图说明
图1为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的XRD图；
图2为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的SEM图；
图3为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的EDS图；
图4为ZnO纳米线材料的TEM图；
图5为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的晶面分析图；
图6为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的晶格衍射图；
图7为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的PL曲线图；
图8为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的I-U曲线图；
图9为本发明制备的Ag和ZnO复合纳米线材料的I-t曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料，所述材料由Ag和ZnO按照1:4～5的质量比制备而成。
具体实施方式二：一种具体实施方式一所述基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：对双抛光的石英衬底进行冲洗，先用无水乙醇冲洗10～20min，再用去离子水冲洗10～20min，然后用纯氮气将石英衬底吹干；
步骤二：取0.5～1g ZnO粉末置于陶瓷舟中间，将步骤一吹干的双抛光石英衬底放置于陶瓷舟的一侧，将陶瓷舟放置于CVD管式炉的中心部，使石英衬底的这一侧位于刚玉管的出气端，设置管式炉的压力为1～3Pa，温度为1100～1250℃，纯氩气作为载气体，氩气流量为50～80sccm，保持30～60min，得到ZnO纳米线；
步骤三：将Ag靶材置于直流溅射靶上，将步骤二得到的负载有ZnO纳米线的石英衬底置于溅射室旋转底座，设置直流溅射功率为8～12W，工作压力为1～3Pa，纯氩气作为溅射气体，石英衬底温度保持80～120℃，溅射过程中溅射室内部真空度为4.0×10-4～6.5×10- 4Pa，保持20～40min后，得到Ag和ZnO复合纳米线材料。
实施例1：
一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料的制备依照如下步骤进行：
（1）选择石英衬底，ZnO粉末；
（2）先用无水乙醇冲洗石英衬底15min，再用去离子水冲洗15min，最后用纯氮气将石英衬底吹干；
（3）将0.5g ZnO粉末置于陶瓷舟中间，石英衬底置于陶瓷舟的一侧，将陶瓷舟放置于CVD管式炉中心部；
（4）管式炉工作气压为1Pa，纯氩气作为载气体，流量60sccm，温度保持1200℃，保持所述状态40min后获得ZnO纳米线；
（5）将Ag靶材置于直流溅射靶，ZnO纳米线的石英置于溅射室，设置直流溅射功率为10W，工作气压为1Pa，纯氩气分别作为溅射气体，衬底温度保持100℃，溅射过程中溅射室内部真空度为6.0×10-4Pa，保持所述状态30min后，得到Ag和ZnO复合纳米线材料；
对本实施例制得的Ag和ZnO复合纳米线材料进行光场辐照发光和光电化学性能的测试：
光场辐照发光性能测试：
光场辐照增强发光特性测量装置中，利用波长为 325 nm的He–Cd激光激发样品，对波段为350–800nm发光光谱检测，获得光致发光结果。
光电化学性能测试：
利用Zahner光电化学测试系统进行光电化学性能测试。
测试的结果分析如下：
如图1所示，可以看出，样品有ZnO衍射峰和Ag单质的衍射峰，Ag离子渐渐的结晶生成Ag金属颗粒。
如图2所示，可以看出ZnO纳米棒有很多黑色的小点，为Ag颗粒，Ag纳米粒子在纳米线表面分布非常均匀。
如图3所示，EDS图显示材料由Zn、O和Ag三种元素组成。
如表1所示，给出元素比例情况，从结果中可知Ag粒子成分主要是Ag单质。
| 元素 | 相对原子质量 | 系 | 非归一化质量百分比 | 归一化质量百分比 | 原子百分比 | 质量误差 |
| Zn | 30 | K-series | 53.2 | 68.68 | 48.97 | 1.93 |
| O | 8 | K-series | 11.81 | 15.25 | 44.44 | 1.85 |
| Ag | 47 | L-series | 11.75 | 15.8 | 6.59 | 0.49 |
如图4所示，Ag粒子复合ZnO纳米线的TEM图，从图中可以看出纳米线尺寸在100nm左右，粗细和表面较为均匀，Ag纳米粒子复合在纳米线表面，Ag颗粒的平均直径为40nm左右。
如图5所示，晶面间距0.234nm是Ag（111）。
如图6所示，为选取的Ag和ZnO电子衍射图，图中的道格点很明显，说明结晶很好，有几种对称的道格点对称分布，原因是同时有Ag和ZnO两种材料存在。
如图7所示，由于金属Ag颗粒的附着，减少禁带的激子复合发光，减弱紫外发射峰的强度，Ag使可见发射峰的数量增加和紫外发射峰数量减少，增加了载流子浓度，从而一定程度上增加了导电性。
如图8所示，Ag修饰ZnO纳米线复合材料电极与在通氮气条件下0.5M NaClO4 电解液中的I-U曲线，金属Ag粒子的修饰提高了光电流密度，提高了光生电荷的分离效率。当Ag纳米粒子优化修饰ZnO纳米线，在可见光照下产生了显著增强的光电流响应，光电流密度超过30 μA /cm2。
如图9所示，Ag修饰ZnO纳米线复合材料电极与在通氮气条件下0.5M NaClO4 电解液中的光照以及未光照时I-t曲线，给出了在可见光照射下，光电极的I-t响应测试结果，可见经过600s后，光电流仍然稳定，没有出现明显的衰减，说明样品材料作为光电极具有良好的稳定性。
以上结果表明，本实施例制备的Ag和ZnO复合纳米线材料与纯ZnO纳米线相比，具有强的发光性能和优异电化学性能。
表面金属沉积提高半导体的光电化学性能。目前有两种解释，早期的解释是因为金属和半导体费米能级不同，特别是贵金属功函高，费米能级低，光生电子易于迁移到其表面，而且金属半导体两者界面形成的Schottky势垒成为抑制电子一空穴复合的电子陷进可以提高半导体材料的光电化学性能。另一种解释是表面等离子体效应。表面等离子体是一种电磁表面波(电子疏密波)，金属纳米粒子受光激发，其振荡电场使传导电子同时振荡，振荡电子和光子相互作用，产生电子疏密波沿金属表面传播。当激发光子的频率和等离子体振荡频率一致时，对入射光的吸收增强，从而产生局域表面等离子体共振(localizedsurface plasmon resonance, LSPR现象)。金属纳米粒子的电子密度、电荷分布、电子有效质量影响共振频率，通过控制金属纳米粒子的尺寸和形貌实现表面等离子体共振效应的辐照。贵金属纳米颗粒表面的等离子体共振效应，不仅能阻碍光生电子一空穴的复合，还扩展了对入射光的吸收范围，从而提高材料的光电化学活性。在可见光照射下，价带电子吸收能量激发到缺陷能级，并很容易迁移到Ag基态，外加偏压下，电子的迁移加速，光生载流子有效的分离，流经外电路，产生光电流。
Claims (2)
1.一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料，其特征在于：所述材料由Ag和ZnO按照1:4～5的质量比制备而成。
2.一种权利要求1所述基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：对双抛光的石英衬底进行冲洗，先用无水乙醇冲洗10～20min，再用去离子水冲洗10～20min，然后用纯氮气将石英衬底吹干；
步骤二：取0.5～1g ZnO粉末置于陶瓷舟中间，将步骤一吹干的双抛光石英衬底放置于陶瓷舟的一侧，将陶瓷舟放置于CVD管式炉的中心部，使石英衬底的这一侧位于刚玉管的出气端，设置管式炉的压力为1～3Pa，温度为1100～1250℃，纯氩气作为载气体，氩气流量为50～80sccm，保持30～60min，得到ZnO纳米线；
步骤三：将Ag靶材置于直流溅射靶上，将步骤二得到的负载有ZnO纳米线的石英衬底置于溅射室旋转底座，设置直流溅射功率为8～12W，工作压力为1～3Pa，纯氩气作为溅射气体，石英衬底温度保持80～120℃，溅射过程中溅射室内部真空度为4.0×10-4～6.5×10- 4Pa，保持20～40min后，得到Ag和ZnO复合纳米线材料。
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