JP3921538B2 - Method for producing single crystal zinc selenide nanowire - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶のセレン化亜鉛ナノワイヤーの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
II−VI族の半導体材料として広いバンドギャップを持つセレン化物は、発光デバイス、太陽電池、センサー、光記録材料等の分野でその応用に関して広く検討されている。一次元構造であるセレン化亜鉛ナノワイヤーやナノロッドは、鋳型を用いる方法、溶媒中での加熱による方法、金などの触媒を用いる方法によって製造されている(例えば、非特許文献1、2、3参照。)。
【0003】
【非特許文献1】
N.Kouklin,ほか、アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.Phys.Lett.)79巻、4423頁、2001年
【非特許文献2】
W.Wang,ほか、インオーガニック・ケミカル・コミュニケーションズInorg.Chem.Commun.」2巻、83頁、1999年
【非特許文献3】
Y.Xia,ほか、アドバンスト・マテリアルズ(Adv.Mater.)15巻、353頁、2003年
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の従来の技術に鑑みてなされたもので、鋳型や高価な触媒を使用しないで、安価に、高純度の、発光材料、青緑色レーザーダイオード、中波長赤外線レーザー光源等への応用が期待される単結晶セレン化亜鉛ナノワイヤーを製造することを解決すべき課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
グラファイト粉末とグラファイト繊維の混合物を底部に穴を設けた第1のグラファイト製反応容器に入れて、セレン化亜鉛粉末を底部に穴を設けた第2のグラファイト製反応容器に入れて、断熱材のグラファイト繊維で包囲したグラファイト製支持台によって高周波誘導加熱炉の中央部に、前記第2の容器を第1の容器の上方に離して保持し、蒸留水に窒素ガスを吹き込んで生成した水蒸気を含んだ窒素ガス気流を前記第1の容器の底部の穴から前記第1の容器内に導入し、次に前記第2の容器の底部の穴から前記第2の容器内に導入 するとともに、前記グラファイト粉末とグラファイト繊維の混合物を1500〜1700℃に、セレン化亜鉛粉末を1200〜1300℃に加熱する。加熱を1〜3時間続けた後、反応容器を室温に冷却すると断熱材のグラファイト繊維の表面に生成物である黄色の粉末が得られる。
【0006】
グラファイト粉末およびグラファイト繊維を、蒸留水に窒素ガスを吹き込んで生じる窒素ガスと水蒸気の混合気流中で、1500〜1700℃に加熱する。窒素ガスは、グラファイトと反応させる水蒸気のキャリアガスである。グラファイトの粉末とグラファイトの繊維 を混ぜる理由は、流動床的に、水蒸気との接触を良くするためである。
【0007】
一方、もう一つの原料であるセレン化亜鉛粉末を1200〜1300℃に加熱する。グラファイト粉末およびグラファイト繊維、セレン化亜鉛粉末の加熱温度は、それぞれ上記の範囲が好ましい。これ以上の温度に上げても、反応速度はあまり向上しないし、これ以下の温度の場合は、反応が不十分で、反応性ガスの生成や最終生成物が十分に得られない。
反応時間は1〜3時間が好ましく、これ以上時間を延ばしても生成量の向上は望めないし、これ以下の時間では反応が不十分である。
【0008】
グラファイト粉末、グラファイト繊維、セレン化亜鉛粉末の重量比は1:1:0.5程度が望ましい。この比を変化させても、収量の向上はあまり期待できない。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の方法を実施するために使用する縦型高周波誘導加熱炉を概念的に示す。
石英管1の周りに加熱コイル2を配した縦型高周波誘導加熱炉3の内部に第1の反応容器及び第2の反応容器としてグラファイト製るつぼ4Aと4Bを離して設置する。グラファイト製るつぼ4Aと4Bは、断熱材のグラファイト繊維6で周囲を包囲したグラファイト製支持台(サセプタ)5によって加熱炉3の中央部に保持する。混合したグラファイト粉末と繊維7を底部に穴を設けたグラファイト製るつぼ4Aの底部に入れ、さらに、底部に穴を設けたグラファイト製るつぼ4Bにセレン化亜鉛粉末9を入れる。
【0010】
次に、蒸留水に窒素ガスを吹き込んで生成する水蒸気を含んだ窒素ガス気流をN+HO導入口10から導入し、底部の穴からるつぼ4A内に導入して、混合したグラファイト粉末と繊維7に通じる。この際の流量は窒素ガスが1.5L/minで、水蒸気は0.3L/min程度である。窒素ガスを上部のN導入口11から補足的に石英管1内に供給してもよい。水蒸気は粉末と繊維を混合したグラファイトと反応し、底部の穴からるつぼ4B内に入り、セレン化亜鉛粉末と反応する。
【0011】
この際、加熱コイル2を用いて、Gradientを利用して、グラファイト粉末と繊維7を1500〜1700℃に加熱し、セレン化亜鉛粉末9を1200〜1300℃に加熱する。るつぼ4A,4B内の温度は、プリズム13を介してパイロメータ14で測定する。
【0012】
反応ガスはるつぼ4Bの上方から石英管1内に流れ、窒素ガスはN排出口12から排出される。1〜3時間加熱を続けた後、加熱炉を室温に冷却する。上記の反応は、高周波誘導加熱炉中で行われるが、生成物は、グラファイト繊維6の表面に堆積する。
【0013】
【実施例】
次に、実施例を示して、さらに詳しく本発明について説明する。
実施例1
図1に示すような縦型高周波誘導加熱炉を用いて、和光純薬(株)製のグラファイト粉末1.0gと同社製のグラファイト繊維1.0gの混合物をグラファイト製るつぼに入れて、グラファイト製のサセプターに取り付け、高周波誘導加熱炉中に設置した。一方、和光純薬(株)製のセレン化亜鉛粉末0.5gをグラファイト製るつぼの中に入れ、グラファイト粉末およびグラファイト繊維の入ったるつぼの上方に離して配置した。
【0014】
蒸留水に窒素ガスを吹き込むことにより、生成する水蒸気を含んだ窒素ガスを1.5L/minの流速で、グラファイト粉末およびグラファイト繊維に通じた。高周波誘導加熱炉を用いて、グラファイト粉末およびグラファイト繊維を1600℃に加熱し、セレン化亜鉛粉末を1250℃に加熱した。この温度で2時間加熱した後、加熱炉を室温に冷却した。グラファイト製るつぼの外側の断熱材のグラファイト繊維の表面に黄色の粉末が堆積した。
【0015】
図2に透過型電子顕微鏡を用いて観察した生成物の写真を示した。この結果、長さが1マイクロメートルで、直径が平均40ナノメートルのナノワイヤーが生成していることが確認できた。
【0016】
図3にX線エネルギー拡散スペクトルの測定結果を示したが、その化学組成は亜鉛とセレンからなり、その原子比は1:1であることが分かった。また、このナノワイヤーの高分解能透過型電子顕微鏡像と電子線回折の測定結果から、格子定数a=0.40nm、c=0.65nmを有する六方晶相であることが分かった。(110)面と(002)面の面間距離はそれぞれ0.20nm、0.33nmで、セレン化亜鉛ナノワイヤーの成長方向は[001]方向であり、単結晶構造であることが確認された。
【0017】
生成したセレン化亜鉛ナノワイヤーのフォトルミネッセンススペクトルを室温で、励起源として325nmのHe−Cdレーザーを用いて測定した。その結果を図4に示した。この図4からセレン化亜鉛ナノワイヤーは617nmに強いオレンジ色の発光と447nmに非常に弱い発光を示すことが分かった。
【0018】
【発明の効果】
本発明により、発光材料、中波長赤外線レーザー等への応用が期待されるセレン化亜鉛ナノワイヤーが簡単な方法で製造可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法を実施するために使用する反応装置の概念図である。
【図2】図2は、実施例1で得られたセレン化亜鉛ナノワイヤーの図面代用の透過型電子顕微鏡像の写真である。
【図3】図3は、実施例1で得られたセレン化亜鉛ナノワイヤーのX線エネルギー拡散スペクトルの図である。
【図4】図4は、実施例1で得られたセレン化亜鉛ナノワイヤーのフォトルミネッセンススペクトルの図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing single crystal zinc selenide nanowires.
[0002]
[Prior art]
Selenides having a wide band gap as a II-VI group semiconductor material have been widely studied for their applications in the fields of light-emitting devices, solar cells, sensors, optical recording materials, and the like. Zinc selenide nanowires and nanorods having a one-dimensional structure are manufactured by a method using a template, a method using heating in a solvent, and a method using a catalyst such as gold (for example, Non-Patent Documents 1, 2, and 3). reference.).
[0003]
[Non-Patent Document 1]
N. Kouklin, et al., Applied Physics Letters 79, 4423, 2001 [Non-patent Document 2]
W. Wang, et al., Inorganic Chemical Communications Inorg. Chem. Commun. "Volume 2, p. 83, 1999 [Non-Patent Document 3]
Y. Xia, et al., Advanced Materials (Adv. Mater.) Vol. 15, p. 353, 2003
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described conventional technology, and without using a template or an expensive catalyst, is inexpensive and can be used for a high-purity light emitting material, a blue-green laser diode, a medium wavelength infrared laser light source, and the like. Manufacturing single-crystal zinc selenide nanowires that are expected to be applied is an issue to be solved.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A mixture of graphite powder and graphite fiber is placed in a first graphite reaction vessel having a hole in the bottom, and zinc selenide powder is placed in a second graphite reaction vessel having a hole in the bottom. In the center of the high-frequency induction heating furnace, the second container is held above the first container by a graphite support surrounded by graphite fiber, and contains water vapor generated by blowing nitrogen gas into distilled water. A nitrogen gas stream is introduced into the first container through a hole in the bottom of the first container and then into the second container through a hole in the bottom of the second container ; The powder and graphite fiber mixture is heated to 1500-1700 ° C and the zinc selenide powder is heated to 1200-1300 ° C. After continuing the heating for 1 to 3 hours, when the reaction vessel is cooled to room temperature, a yellow powder as a product is obtained on the surface of the graphite fiber of the heat insulating material .
[0006]
The graphite powder and the graphite fiber are heated to 1500 to 1700 ° C. in a mixed gas stream of nitrogen gas and water vapor generated by blowing nitrogen gas into distilled water. Nitrogen gas is a carrier gas of water vapor that reacts with graphite. The reason for mixing graphite powder and graphite fiber is to improve contact with water vapor in a fluidized bed.
[0007]
On the other hand, zinc selenide powder as another raw material is heated to 1200 to 1300 ° C. The heating temperatures of the graphite powder, graphite fiber, and zinc selenide powder are each preferably in the above ranges. Even if the temperature is raised to a temperature higher than this, the reaction rate is not improved so much, and when the temperature is lower than this, the reaction is insufficient and the production of the reactive gas and the final product cannot be sufficiently obtained.
The reaction time is preferably 1 to 3 hours, and even if the time is extended beyond this, no improvement in the amount of production can be expected, and if the time is less than this, the reaction is insufficient.
[0008]
The weight ratio of graphite powder, graphite fiber, and zinc selenide powder is preferably about 1: 1: 0.5. Even if this ratio is changed, an improvement in yield cannot be expected.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 conceptually shows a vertical high-frequency induction furnace used to carry out the method of the present invention.
The graphite crucibles 4A and 4B are set apart from each other as a first reaction vessel and a second reaction vessel in a vertical high frequency induction heating furnace 3 in which a heating coil 2 is arranged around the quartz tube 1. The graphite crucibles 4A and 4B are held at the center of the heating furnace 3 by a graphite support (susceptor) 5 surrounded by graphite fibers 6 as a heat insulating material. The mixed graphite powder and fiber 7 are put into the bottom of a graphite crucible 4A having a hole at the bottom, and the zinc selenide powder 9 is put into a graphite crucible 4B having a hole at the bottom.
[0010]
Next, a nitrogen gas stream containing water vapor generated by blowing nitrogen gas into distilled water is introduced from the N 2 + H 2 O inlet 10 and introduced into the crucible 4A from the bottom hole, and the mixed graphite powder and Leads to fiber 7. The flow rate at this time is about 1.5 L / min for nitrogen gas and about 0.3 L / min for water vapor. Nitrogen gas may be supplementarily supplied into the quartz tube 1 from the upper N 2 inlet 11. The water vapor reacts with the graphite mixed with the powder and the fiber, enters the crucible 4B through the hole at the bottom, and reacts with the zinc selenide powder.
[0011]
At this time, using the heating coil 2, the graphite powder and the fiber 7 are heated to 1500 to 1700 ° C. and the zinc selenide powder 9 is heated to 1200 to 1300 ° C. using Gradient. The temperature in the crucibles 4A and 4B is measured by the pyrometer 14 via the prism 13.
[0012]
The reaction gas flows into the quartz tube 1 from above the crucible 4B, and the nitrogen gas is discharged from the N 2 discharge port 12. After heating for 1 to 3 hours, the furnace is cooled to room temperature. The above reaction is performed in a high frequency induction heating furnace, but the product is deposited on the surface of the graphite fiber 6.
[0013]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Example 1
Using a vertical high-frequency induction heating furnace as shown in FIG. 1, a mixture of 1.0 g of graphite powder manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. and 1.0 g of graphite fiber manufactured by the same company is placed in a graphite crucible and made of graphite. And installed in a high-frequency induction heating furnace. On the other hand, 0.5 g of zinc selenide powder manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was placed in a graphite crucible and placed above the crucible containing graphite powder and graphite fibers.
[0014]
By blowing nitrogen gas into distilled water, the nitrogen gas containing water vapor generated was passed through the graphite powder and graphite fiber at a flow rate of 1.5 L / min. Using a high frequency induction heating furnace, the graphite powder and the graphite fiber were heated to 1600 ° C., and the zinc selenide powder was heated to 1250 ° C. After heating at this temperature for 2 hours, the heating furnace was cooled to room temperature. A yellow powder was deposited on the surface of the graphite fiber of the heat insulating material outside the graphite crucible.
[0015]
FIG. 2 shows a photograph of the product observed using a transmission electron microscope. As a result, it was confirmed that nanowires having a length of 1 micrometer and an average diameter of 40 nanometers were generated.
[0016]
FIG. 3 shows the measurement result of the X-ray energy diffusion spectrum. It was found that the chemical composition was composed of zinc and selenium, and the atomic ratio was 1: 1. Moreover, it turned out that it is a hexagonal phase which has a lattice constant a = 0.40nm and c = 0.65nm from the high-resolution transmission electron microscope image of this nanowire, and the measurement result of electron beam diffraction. The distances between the (110) plane and the (002) plane were 0.20 nm and 0.33 nm, respectively, and the growth direction of the zinc selenide nanowire was the [001] direction, confirming a single crystal structure. .
[0017]
The photoluminescence spectrum of the generated zinc selenide nanowires was measured at room temperature using a 325 nm He-Cd laser as the excitation source. The results are shown in FIG. From FIG. 4, it was found that the zinc selenide nanowires showed strong orange emission at 617 nm and very weak emission at 447 nm.
[0018]
【The invention's effect】
According to the present invention, zinc selenide nanowires expected to be applied to luminescent materials, medium wavelength infrared lasers, and the like can be produced by a simple method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a reaction apparatus used for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a transmission electron micrograph image of the zinc selenide nanowire obtained in Example 1 instead of a drawing.
3 is a diagram of an X-ray energy diffusion spectrum of zinc selenide nanowires obtained in Example 1. FIG.
4 is a diagram of a photoluminescence spectrum of the zinc selenide nanowire obtained in Example 1. FIG.

Claims (1)

グラファイト粉末とグラファイト繊維の混合物を底部に穴を設けた第1のグラファイト製反応容器に入れて、セレン化亜鉛粉末を底部に穴を設けた第2のグラファイト製反応容器に入れて、
断熱材のグラファイト繊維で包囲したグラファイト製支持台によって高周波誘導加熱炉の中央部に、前記第2の容器を第1の容器の上方に離して保持し、
蒸留水に窒素ガスを吹き込んで生成した水蒸気を含んだ窒素ガス気流を前記第1の容器の底部の穴から前記第1の容器内に導入し、次に前記第2の容器の底部の穴から前記第2の容器内に導入するとともに、
前記グラファイト粉末とグラファイト繊維の混合物を1500〜1700℃に、セレン化亜鉛粉末を1200〜1300℃に、1〜3時間加熱して、生成物を断熱材のグラファイト繊維の表面に堆積させることを特徴とする単結晶セレン化亜鉛ナノワイヤーの製造方法。
Put a mixture of graphite powder and graphite fiber into a first graphite reaction vessel with a hole in the bottom, and put zinc selenide powder into a second graphite reaction vessel with a hole in the bottom,
The second container is held above the first container at the center of the high-frequency induction heating furnace by a graphite support base surrounded by graphite fiber as a heat insulating material,
A nitrogen gas stream containing water vapor generated by blowing nitrogen gas into distilled water is introduced into the first container from the hole at the bottom of the first container, and then from the hole at the bottom of the second container. Introducing into the second container;
The mixture 1 500-1,700 ° C. of the graphite powder and graphite fiber, a zinc selenide powder 1200 to 1300 ° C., and heated for 1 to 3 hours, depositing the product on the surface of the graphite fibers of the heat insulating material Rukoto A method for producing a single crystal zinc selenide nanowire characterized by
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