RU2459316C2 - Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source - Google Patents
Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2459316C2 RU2459316C2 RU2010139489/28A RU2010139489A RU2459316C2 RU 2459316 C2 RU2459316 C2 RU 2459316C2 RU 2010139489/28 A RU2010139489/28 A RU 2010139489/28A RU 2010139489 A RU2010139489 A RU 2010139489A RU 2459316 C2 RU2459316 C2 RU 2459316C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon nanotubes
- solution
- cathode
- cadmium
- cadmium sulfide
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии функциональных наноматериалов, а именно к химической технологии получения гибридных композиционных наноматериалов, состоящих из углеродных нанотрубок и осажденных на них квантовых точек, и оптической наноэлектронике, включая оптонаноэлектронику и нанофотонику. Предложение может быть использовано для создания источников света высокой яркости с контролируемым спектром, преобразователей света в электрическую энергию и пленок для фотовольтаических элементов солнечных батарей, люминесцентных маркеров, электролюминесцентных экранов для различных электронных приборов, таких как компьютерные дисплеи, экраны мобильных телефонов и другой портативной электроники.The invention relates to the technology of functional nanomaterials, in particular to the chemical technology for producing hybrid composite nanomaterials consisting of carbon nanotubes and quantum dots deposited on them, and optical nanoelectronics, including optoelectronics and nanophotonics. The proposal can be used to create high-brightness sources of light with a controlled spectrum, converters of light into electrical energy and films for photovoltaic cells of solar cells, fluorescent markers, electroluminescent screens for various electronic devices, such as computer displays, screens of mobile phones and other portable electronics.
Из заявки на выдачу патента US 20070004183, МКП H01L 21/20, опубликована 4.01.2007 известен двухфазный термический способ создания квантовых точек из сульфида кадмия (CdS), согласно которому смесь из соли кадмия, тиомочевины или тиоацетамида в качестве источника серы, олеиновой кислоты или триоктилфосфиноксида, воды нагревают в автоклаве до 120-180°С от 0,5 до 24 часов, при этом варьирование времени реакции позволяет создавать квантовые точки из сульфида кадмия разных размеров. Недостатки способа состоят в том, что получение люминесцентных частиц происходит при высоких температурах и давлении, а также в сложности и большой длительности.From the patent application US 20070004183, MKP H01L 21/20, published 4.01.2007, a two-phase thermal method for creating quantum dots of cadmium sulfide (CdS) is known, according to which a mixture of cadmium salt, thiourea or thioacetamide as a source of sulfur, oleic acid or trioctylphosphine oxide, water is heated in an autoclave to 120-180 ° C from 0.5 to 24 hours, while varying the reaction time allows you to create quantum dots of cadmium sulfide of different sizes. The disadvantages of the method are that the production of luminescent particles occurs at high temperatures and pressure, as well as in complexity and long duration.
Из статей (Y.Liu and L.Gao, Mater. Chem. Phys., 2005, 91, 365), (Q.Huang, L.Gao, Nanotechnology, 2004, 15, 1855), (J.Shi, Y.Qin, W.Wu, X.Li, Z.-X. Guo, D.Zhu, Carbon, 2004, 42, 455) известно несколько методов осаждения наночастиц сульфидов металлов на поверхность углеродных нанотрубок. Общим недостатком этих методов является невозможность сохранить ориентацию нанотрубок относительно подложки при нанесении частиц сульфида кадмия на поверхность углеродных нанотрубок.From the articles (Y. Liu and L. Gao, Mater. Chem. Phys., 2005, 91, 365), (Q. Huang, L. Gao, Nanotechnology, 2004, 15, 1855), (J.Shi, Y. Qin, W.Wu, X. Li, Z.-X. Guo, D. Zhu, Carbon, 2004, 42, 455) several methods are known for the deposition of metal sulfide nanoparticles on the surface of carbon nanotubes. A common drawback of these methods is the inability to maintain the orientation of the nanotubes relative to the substrate when cadmium sulfide particles are deposited on the surface of carbon nanotubes.
Из патента RU 2370517, МКП С09К 11/02, опубликован 20.10.2009, известен способ получения люминесцентных наночастиц сульфида кадмия, стабилизированных в полимерных матрицах. Недостатком способа является то, что для стабилизации и равномерного распределения частиц в полимере используют поверхностно-активные вещества и значительное количество других реагентов. Кроме того, реализация способа требует длительных временных затрат.From patent RU 2370517, MKP S09K 11/02, published October 20, 2009, a method for producing luminescent cadmium sulfide nanoparticles stabilized in polymer matrices is known. The disadvantage of this method is that for stabilization and uniform distribution of particles in the polymer, surfactants and a significant amount of other reagents are used. In addition, the implementation of the method requires a long time.
Из патентов КНР Патент CN 101581687 (А), опубликован 18.11.2009, патент CN 101070153 (А), опубликован 14.11.2007, известно получение частиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках, диспергированных в растворе. Недостатками указанных способов является следующее: нанесение сульфида кадмия в патенте CN 101581687 идет в виде порошка, который потом спекают при высоких температурах, в патенте CN 101070153 используют многостадийный процесс окисления нанотрубок, затем идет сложный процесс получения сульфида кадмия, при котором используют большое количество реагентов и дальнейшее облучение светом для формирования и осаждения наночастиц CdS на углеродные нанотрубы.From the patents of the People's Republic of China, Patent CN 101581687 (A), published November 18, 2009, patent CN 101070153 (A), published November 14, 2007, it is known to obtain particles of cadmium sulfide on carbon nanotubes dispersed in solution. The disadvantages of these methods are the following: the application of cadmium sulfide in the patent CN 101581687 is in the form of a powder, which is then sintered at high temperatures, in the patent CN 101070153 a multi-stage oxidation process of nanotubes is used, then there is a complex process for producing cadmium sulfide, in which a large number of reagents and further irradiation with light for the formation and deposition of CdS nanoparticles on carbon nanotubes.
В патенте CN 101157437 (А), опубл. 09.04.2008, описан способ, где углеродные нанотрубки диспергируют в растворе, но процесс получения частиц сульфида кадмия ведут из раствора хлорида кадмия и тиоацетамида при температуре 40-65°С. Описанный способ принят за ближайший аналог (прототип). Недостатками является то, что способ достаточно длителен - не менее 6 час - и не предназначен для осаждения частиц на подложку, характеризуется сложностью обеспечения равномерности распределения частиц сульфида кадмия на поверхности углеродных нанотрубок.In patent CN 101157437 (A), publ. 04/09/2008, a method is described where carbon nanotubes are dispersed in a solution, but the process for producing cadmium sulfide particles is carried out from a solution of cadmium chloride and thioacetamide at a temperature of 40-65 ° C. The described method is adopted for the closest analogue (prototype). The disadvantages are that the method is quite lengthy - at least 6 hours - and is not intended for deposition of particles on a substrate, it is characterized by the difficulty of ensuring uniform distribution of cadmium sulfide particles on the surface of carbon nanotubes.
Из заявки на выдачу патента US 20100110728, МКП F21V 8/00, опубликована 6.05.2010, известны светодиодные устройства, представляющие собой герметичные контейнеры, содержащие множество люминесцентных нанокристаллов, в частности, CdSe/Cd. Способ изготовления этих устройств основан на размещении нанокристаллов, в частности CdSe/Cd в полимерной матрице, что предъявляет высокие требования к полимеру при устройстве подвода тока, создания электрического поля высокой напряженности при изготовлении светодиодного устройства.From patent application US 20100110728, MCP F21V 8/00, published May 6, 2010, LED devices are known which are hermetic containers containing a plurality of luminescent nanocrystals, in particular CdSe / Cd. A method of manufacturing these devices is based on the placement of nanocrystals, in particular CdSe / Cd in a polymer matrix, which makes high demands on the polymer when applying a current supply device and creating a high-voltage electric field in the manufacture of an LED device.
Из заявки на выдачу патента US 20100025662, МКП H01L 51/30, опубликована 4.02.2010 известен способ соединения квантовых точек большой плотности на поверхности углеродных нанотрубок с целью эффективной фотодетекции, состоящий в подготовке множества полупроводниковых квантовых точек и подготовке тиол-функционализированных углеродных нанотрубок, имеющих множество концевых тиольных групп на их поверхностях, и в присоединении полупроводниковых квантовых точек к поверхностям углеродных нанотрубок с высокой плотностью. Недостатком указанного способа является применение функционализирующих материалов для подготовки поверхности углеродных нанотрубок к присоединению полупроводниковых квантовых точек, что существенно усложняет процесс и ведет к увеличению времени изготовления указанных структур и повышению стоимости процесса.From the application for the grant of a patent US 20100025662, MKP H01L 51/30, published on 02/02/2010, there is a known method for connecting high-density quantum dots on the surface of carbon nanotubes for the purpose of efficient photodetection, which consists in preparing a plurality of semiconductor quantum dots and preparing thiol-functionalized carbon nanotubes having many terminal thiol groups on their surfaces, and in the attachment of semiconductor quantum dots to the surfaces of high density carbon nanotubes. The disadvantage of this method is the use of functionalizing materials for preparing the surface of carbon nanotubes to attach semiconductor quantum dots, which significantly complicates the process and leads to an increase in the manufacturing time of these structures and an increase in the cost of the process.
Наиболее близким по совокупности признаков является источник света с квантовыми точками и способ его получения, известный из международной публикации WO 2009/123763, МКП H01L 33/00, опубликована 8.10.2009. Способ изготовления источника света включает нанесение эмиссионного слоя, нанесение квантовых точек на поверхность анода и подачу электрического напряжения. Недостатком этого способа является использование анода в виде пленки материала с квантовыми точками, в которой сложно создать заданное равномерное распределение частиц по площади пленки с заданными размерами частиц, нанесение больших количеств промежуточных слоев материалов.The closest set of features is a light source with quantum dots and the method for its production, known from the international publication WO 2009/123763, MCP H01L 33/00, published on 10.10.2009. A method of manufacturing a light source includes applying an emission layer, applying quantum dots to the surface of the anode, and applying electrical voltage. The disadvantage of this method is the use of the anode in the form of a film of material with quantum dots, in which it is difficult to create a given uniform distribution of particles over the film area with given particle sizes, applying large amounts of intermediate layers of materials.
Задачей изобретения по способу получения люминесцентных частиц на полевом катоде является повышение равномерности распределения квантовых точек на поверхности углеродных нанотрубок и упрощение способа получения.The objective of the invention in a method for producing luminescent particles on a field cathode is to increase the uniformity of the distribution of quantum dots on the surface of carbon nanotubes and simplify the production method.
Задачей изобретения по способу изготовления источника света является повышение равномерности распределения квантовых точек в эмиссионном слое, повышение энергетической эффективности работы источников света и упрощение технологии изготовления источников света.The objective of the invention in a method of manufacturing a light source is to increase the uniformity of the distribution of quantum dots in the emission layer, increase the energy efficiency of the light sources and simplify the manufacturing technology of light sources.
Поставленная задача по способу выращивания наночастиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках достигается тем, что в выращивании наночастиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках, включающем формирование наночастиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках из смеси раствора, содержащего хлорид кадмия, и раствора серосодержащего реагента, при нагревании смеси, углеродные нанотрубки выращивают на проводящей подложке, наночастицы сульфида кадмия выращивают на углеродных нанотрубках из смеси растворов, при этом серосодержащий реагент, дающий в растворе анион серы, выбирают из класса тиоамидов и тиосемикарбазидов, подложку с углеродными нанотрубками помещают в аммиачный раствор, содержащий серосодержащий реагент, затем в этот раствор добавляют аммиачный раствор хлорида кадмия, смесь перемешивают и после выращивания наночастиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках извлекают катод из раствора, при этом из класса тиоамидов используют аммиачный раствор тиомочевины, а из класса тиосемикарбазидов используют аминотиомочевину, концентрация аммиачного раствора тиомочевины или аминотиомочевины 0,1-0,5 моль/л, а концентрация аммиачного раствора хлорида кадмия 0,01-0,05 моль/л, размер частиц сульфида кадмия задают изменением температуры раствора и времени нахождения массива ориентированных углеродных нанотрубок в растворе.The objective of the method for growing cadmium sulfide nanoparticles on carbon nanotubes is achieved by the fact that in the growth of cadmium sulfide nanoparticles on carbon nanotubes, including the formation of cadmium sulfide nanoparticles on carbon nanotubes from a mixture of a solution containing cadmium chloride and a solution of sulfur-containing reagent, when heated, the carbon nanotubes are grown on a conductive substrate, cadmium sulfide nanoparticles are grown on carbon nanotubes from a mixture of solutions, while the sulfur-containing the agent giving the sulfur anion in the solution is selected from the class of thioamides and thiosemicarbazides, the substrate with carbon nanotubes is placed in an ammonia solution containing a sulfur-containing reagent, then an ammonia solution of cadmium chloride is added to this solution, the mixture is mixed, and after growing cadmium sulfide nanoparticles on carbon nanotubes, they are removed the cathode from the solution, while from the class of thioamides an ammonia solution of thiourea is used, and from the class of thiosemicarbazides, aminothiourea and the concentration of ammonia solution are used thiourea or aminothiourea is 0.1-0.5 mol / l, and the concentration of the ammonia solution of cadmium chloride is 0.01-0.05 mol / l, the particle size of cadmium sulfide is set by changing the temperature of the solution and the residence time of the array of oriented carbon nanotubes in the solution.
Поставленная задача по способу изготовления источника света достигается тем, что в способе изготовления источника света, включающем нанесение на электрод эмиссионного слоя с последующим формированием на нем квантовых точек из наночастиц сульфида кадмия, изготовление прозрачного анода с нанесенным на него электропроводящим слоем, соединение катода и анода и подачу на них напряжения, на катод наносят эмиссионный слой из углеродных нанотрубок или из допированных углеродных нанотрубок, ориентированных преимущественно перпендикулярно поверхности катода, выращивают непосредственно на боковых поверхностях и концах углеродных нанотрубок наночастицы сульфида кадмия, полученные по любому п.п.1-4, между катодом и анодом создают зазор и подают между катодом и анодом постоянное или импульсное напряжение, при этом допированные углеродные нанотрубки содержат 1-10% азота, между катодом и анодом создают вакуумный зазор или заполняют зазор высокоомным электролитом.The objective of the method of manufacturing the light source is achieved by the fact that in the method of manufacturing the light source, comprising applying an emission layer to the electrode, followed by the formation of quantum dots of cadmium sulfide nanoparticles on it, manufacturing a transparent anode with an electrically conductive layer deposited on it, connecting the cathode and anode and applying voltage to them, an emission layer of carbon nanotubes or of doped carbon nanotubes, oriented mainly perpendicular to cathode surfaces are grown directly on the lateral surfaces and ends of carbon nanotubes cadmium sulfide nanoparticles obtained according to any one of
Отличительными признаками по способу выращивания наночастиц сульфида кадмия на углеродных нанотрубках являются: углеродные нанотрубки выращивают на проводящей подложке; подложку с углеродными нанотрубками помещают в аммиачный раствор серосодержащего реагента, дающего в растворе анион серы, выбирают из класса тиоамидов и тиосемикарбазидов, в раствор добавляют аммиачный раствор хлорида кадмия; смесь перемешивают; из смеси раствора выращивают наночастицы сульфида кадмия на углеродных нанотрубках; из класса тиоамидов используют аммиачный раствор тиомочевины, а из класса тиосемикарбазидов используют аммиачный раствор аминотиомочевины, концентрации растворов; условия выращивания наночастиц сульфида кадмия, включая температуру и время синтеза.Distinctive features of the method of growing cadmium sulfide nanoparticles on carbon nanotubes are: carbon nanotubes are grown on a conductive substrate; the substrate with carbon nanotubes is placed in an ammonia solution of a sulfur-containing reagent, giving a sulfur anion in the solution, selected from the class of thioamides and thiosemicarbazides, an ammonia solution of cadmium chloride is added to the solution; the mixture is stirred; cadmium sulfide nanoparticles are grown from a mixture of the solution on carbon nanotubes; from the class of thioamides, an ammonia solution of thiourea is used, and from the class of thiosemicarbazides, an ammonia solution of aminothiourea, the concentration of solutions; growing conditions for cadmium sulfide nanoparticles, including temperature and synthesis time.
Отличительные признаки по способу изготовления источника света: на катод наносят эмиссионный слой из углеродных нанотрубок или из допированных углеродных нанотрубок, ориентированных преимущественно перпендикулярно поверхности катода; допированные углеродные нанотрубки содержат 1-10% азота; выращивают непосредственно на боковых поверхностях и концах углеродных нанотрубок наночастицы сульфида кадмия, полученные по любому п.п.1-4; зазор между катодом и анодом; вакуумный зазор или зазор, заполненный высокоомным электролитом; между катодом и анодом подают постоянное или импульсное напряжение.Distinctive features of the method of manufacturing the light source: an emission layer of carbon nanotubes or of doped carbon nanotubes, oriented mainly perpendicular to the cathode surface, is applied to the cathode; doped carbon nanotubes contain 1-10% nitrogen; grown directly on the side surfaces and ends of carbon nanotubes, cadmium sulfide nanoparticles obtained according to any one of
Синтез углеродных нанотрубок на подложке, изготовленной, например, из кремния, методом каталитического термолиза углеводородов из газовой фазы позволяет получать их преимущественно ориентированными перпендикулярно поверхности катода с хорошо развитой равномерной поверхностью и, кроме того, предотвращает эффект слипания, который присутствует при формировании массивов нанотрубок в полимере. Перпендикулярно ориентированная развитая поверхность углеродных нанотрубок на катоде создает возможность сформировать на боковых поверхностях и концах углеродных нанотрубок наночастицы сульфида кадмия (CdS) из смеси растворов. Выращивание из раствора упрощает получение наночастиц сульфида кадмия, так как позволяет гибко осуществлять контроль за размером получаемых наночастиц, изменяя время нахождения подложки с углеродными нанотрубками в растворе и изменяя температуру растворов в зависимости от задач. В зависимости от размера наночастиц сульфида кадмия меняется их спектр люминесценции. При этом температуру растворов, при которой выращивают люминесцентные наночастицы сульфида кадмия на поверхности и концах углеродных нанотрубок, варьируют в невысоких пределах от комнатной до температуры, не превышающей 65-70°С, время нахождения в растворе меняется в пределах от 10 секунд до 60 минут.The synthesis of carbon nanotubes on a substrate made, for example, of silicon, by the method of catalytic thermolysis of hydrocarbons from the gas phase allows them to be predominantly oriented perpendicular to the surface of the cathode with a well-developed uniform surface and, in addition, prevents the sticking effect that is present when nanotube arrays are formed in the polymer . The perpendicularly oriented developed surface of carbon nanotubes at the cathode makes it possible to form cadmium sulfide (CdS) nanoparticles from the mixture of solutions on the lateral surfaces and ends of the carbon nanotubes. Growing from a solution simplifies the preparation of cadmium sulfide nanoparticles, as it allows flexible control over the size of the obtained nanoparticles by changing the residence time of the substrate with carbon nanotubes in the solution and changing the temperature of the solutions depending on the tasks. Depending on the size of the cadmium sulfide nanoparticles, their luminescence spectrum changes. At the same time, the temperature of the solutions at which luminescent cadmium sulfide nanoparticles are grown on the surface and ends of carbon nanotubes varies within a low range from room temperature to a temperature not exceeding 65-70 ° C; the residence time in the solution varies from 10 seconds to 60 minutes.
Для растворов, имеющих серосодержащий реагент, используют соединения класса тиоамидов и тиосемикарбазидов, которые легко растворимы в воде при комнатной температуре, в частности тиомочевину или аминотиомочевину. Эти соединения в щелочной среде, которую создает аммиачный раствор, поддаются гидролизу с образованием свободного аниона серы, что способствует образованию частиц сульфида кадмия. Хлорид кадмия также хорошо растворим в аммиачной среде. Выбранные концентрации растворов наиболее оптимальны и достаточны для выращивания на концах и боковых поверхностях углеродных нанотрубок наночастицы сульфида кадмия, так как при меньших концентрациях будут образовываться единичные наночастицы сульфида кадмия, а большие могут привести к сплошному покрытию поверхности углеродных нанотрубок сульфидом кадмия.For solutions having a sulfur-containing reagent, compounds of the class of thioamides and thiosemicarbazides that are readily soluble in water at room temperature, in particular thiourea or aminothiourea, are used. These compounds in an alkaline environment, which creates an ammonia solution, can be hydrolyzed to form a free sulfur anion, which contributes to the formation of cadmium sulfide particles. Cadmium chloride is also readily soluble in ammonia. The selected solution concentrations are most optimal and sufficient for growing cadmium sulfide nanoparticles on the ends and lateral surfaces of carbon nanotubes, since at lower concentrations single nanoparticles of cadmium sulfide will form, and large ones can lead to a continuous coating of the surface of carbon nanotubes with cadmium sulfide.
Эмиссионный слой углеродных нанотрубок на катоде преимущественно ориентирован перпендикулярно поверхности катода и имеет хорошо развитую равномерную поверхность, что позволяет получать на поверхности эмиссионного слоя катода равномерное распределение из сформированных на них квантовых точек из CdS на концах углеродных нанотруб и их боковых поверхностях. Кроме того, высокая плотность ориентированных углеродных нанотрубок позволяет получить и высокую концентрацию квантовых точек сульфида кадмия на поверхности полевого катода, что повышает эффективность работы источника света, изготовленного этим способом. Формирование наночастиц квантовых точек в эмиссионном слое катода на концах ориентированных углеродных нанотрубок идет за счет того, что поверхность собственно самих углеродных нанотрубок имеет дефекты, а допирование углеродных нанотрубок, например, атомами азота создает дополнительные дефекты на их поверхности, эти дефекты и являются центрами формирования наночастиц сульфида кадмия.The emission layer of carbon nanotubes on the cathode is predominantly oriented perpendicular to the cathode surface and has a well-developed uniform surface, which makes it possible to obtain a uniform distribution of CdS quantum dots formed on them at the ends of carbon nanotubes and their lateral surfaces. In addition, the high density of oriented carbon nanotubes allows one to obtain a high concentration of quantum dots of cadmium sulfide on the surface of the field cathode, which increases the efficiency of the light source manufactured by this method. The formation of quantum dot nanoparticles in the cathode emission layer at the ends of oriented carbon nanotubes is due to the fact that the surface of the carbon nanotubes themselves is defective, and the doping of carbon nanotubes, for example, with nitrogen atoms, creates additional defects on their surface, these defects are the centers of nanoparticle formation cadmium sulfide.
Содержание азота в углеродных нанотрубках (1-10%) является оптимальным для создания порогового напряжения электрического поля, при котором идет эффективная полевая эмиссия электронов, что сопровождается интенсивной люминесценцией наночастиц на концах и боковых поверхностях нанотрубок. Между катодом и анодом создают зазор, который заполняют высокоомным электролитом или создают в нем вакуум и подают постоянное (300-500 В) или импульсное напряжение с частотой (1-10 кГц), при этом через катод протекает ток электронов, которые вызывают свечение наночастиц CdS.The nitrogen content in carbon nanotubes (1-10%) is optimal for creating a threshold electric field voltage at which there is an effective field emission of electrons, which is accompanied by intense luminescence of nanoparticles at the ends and lateral surfaces of the nanotubes. A gap is created between the cathode and the anode, which is filled with a high-resistance electrolyte or a vacuum is created in it and a constant (300-500 V) or pulsed voltage is applied at a frequency (1-10 kHz), while the current of electrons flows through the cathode, which cause the emission of CdS nanoparticles .
Повышение яркости достигается тем, что наночастицы CdS (квантовые точки), находящиеся на углеродных нанотрубках, участвуют в процессе полевой эмиссии, что сопровождается их интенсивной люминесценцией. При этом высокая напряженность электрического поля на таких квантовых точках достигается за счет того, что углеродные нанотрубки имеют большое аспектное отношение (отношение длины нанотрубки к ее диаметру) и высокую электрическую проводимость, что обеспечивает значительное усиление электрического поля у конца углеродных нанотрубок. При этом в процессе электролюминесценции участвуют индивидуальные наночастицы CdS на кончиках отдельных нанотрубок, плотность протекающего тока является очень высокой, что позволяет получить источник света малого размера и очень высокой яркости. Применение ориентированных углеродных нанотрубок снижает мощность потребления источников света, изготовленных этим способом. Упрощение технологии изготовления источников света по сравнению с прототипом обеспечивают тем, что исключают промежуточные слои и используют осаждение наночастиц CdS из жидкой фазы непосредственно на углеродные нанотрубки.The increase in brightness is achieved by the fact that CdS nanoparticles (quantum dots) located on carbon nanotubes participate in the field emission process, which is accompanied by their intense luminescence. In this case, a high electric field strength at such quantum dots is achieved due to the fact that carbon nanotubes have a large aspect ratio (the ratio of the length of the nanotube to its diameter) and high electrical conductivity, which provides a significant increase in the electric field at the end of the carbon nanotubes. In this case, individual CdS nanoparticles at the tips of individual nanotubes participate in the electroluminescence process, the density of the flowing current is very high, which makes it possible to obtain a light source of small size and very high brightness. The use of oriented carbon nanotubes reduces the power consumption of light sources made in this way. Simplification of the manufacturing technology of light sources in comparison with the prototype ensure that they eliminate the intermediate layers and use the deposition of CdS nanoparticles from the liquid phase directly on carbon nanotubes.
На Фиг.1 показан принцип работы полевого катода с нанесенными квантовыми точками. На подложке из кремния (Si) 1 выращен массив ориентированных углеродных нанотрубок 2, на торцах и боковой поверхности ориентированных углеродных нанотруб сформированы наночастицы CdS 3. Кремниевая подложка 1 соединена через электроизоляционные вставки 4 со стеклянным анодом 5. Электроизоляционные вставки 4 могут быть изготовлены, например, из кварца. На внутренней стороне анода 5 нанесен электропроводящий прозрачный слой 6, например, из ITO (оксид индия и олова) или слоя углеродных нанотрубок или графена. При подаче постоянного или импульсного напряжения между катодом и анодом возникает эмиссионный ток электронов 7, которые вызывают свечение наночастиц CdS, нанесенных на углеродные нанотрубки, и которое наблюдается через прозрачный анод.Figure 1 shows the principle of operation of the field cathode with printed quantum dots. An array of
На Фиг.2 приведено электронно-микроскопическое изображение выращенных на подложке 1 ориентированных углеродных нанотрубок 2 и сформированных на них наночастиц сульфида кадмия 3.Figure 2 shows the electron microscopic image of the
На Фиг.3 показано электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения наночастиц сульфида кадмия. На микрофотографии видно, что на конце углеродной нанотрубки 1 сформирована частица CdS 2.Figure 3 shows a high resolution electron microscope image of cadmium sulfide nanoparticles. The micrograph shows that at the end of the
На Фиг.4 показаны результаты измерения электронной дифракции (а) наночастицы, подтверждающие, что строение наночастицы CdS соответствует гексагональной форме, и рентгеновский спектр (б) наночастицы, подтверждающий, что ее атомный состав близок к Cd1S1. Совокупность полученных данных подтверждает, что на углеродный катод нанесен сульфид кадмия, другие соединения не обнаружены.Figure 4 shows the results of electron diffraction measurements of (a) the nanoparticle, confirming that the structure of the CdS nanoparticle corresponds to the hexagonal shape, and the x-ray spectrum (b) of the nanoparticle, confirming that its atomic composition is close to Cd 1 S 1 . The totality of the data obtained confirms that cadmium sulfide is deposited on the carbon cathode, other compounds were not detected.
На Фиг.5 показана временная зависимость (а) прикладываемого напряжения 1 и эмиссионного тока 2 и вольтамперная характеристика 3 (б) катода из гибридного материала сульфид кадмия/углеродные нанотрубки, на которой стрелки «вниз-вверх» соответствуют току, измеренному при повышении и понижении прикладываемого напряжения.Figure 5 shows the time dependence of (a) the applied
На Фиг.6 показана поверхность катода из гибридного материала - сульфид кадмия/углеродные нанотрубки. Рамка 1 показывает границы катода, а латинские буквы обозначают различные цвета: G - зеленый, W - белый, Y - желтый.6 shows the cathode surface of a hybrid material — cadmium sulfide / carbon nanotubes.
Примером технического осуществления предлагаемого способа является следующий.An example of the technical implementation of the proposed method is as follows.
На кремниевой подложке выращивают массив ориентированных углеродных нанотрубок способом химического осаждения из газовой фазы. Синтез ориентированных углеродных нанотрубок выполняют в трубчатом химическом реакторе на кремниевых подложках, размером, например, 10×10 мм2. Реакционную смесь получают путем растворения ферроцена в ацетонитриле и распыляют через инжектор в объем химического реактора. Затем выполняют пиролиз при температуре 800°С и атмосферном давлении в потоке аргона (расход 150 см3/мин) в течение одного часа. В результате на кремниевой подложке получают массив ориентированных многослойных углеродных нанотрубок, допированных атомами азота. Внешний диаметр нанотрубок равен примерно 30 нм, а длина равна примерно 120 микрометрам. Синтезированные углеродные нанотрубки содержат около 4% азота.An array of oriented carbon nanotubes is grown on a silicon substrate by chemical vapor deposition. The synthesis of oriented carbon nanotubes is performed in a tubular chemical reactor on silicon substrates, for example, with a size of 10 × 10 mm 2 . The reaction mixture is obtained by dissolving ferrocene in acetonitrile and spraying through an injector into the volume of a chemical reactor. Then perform pyrolysis at a temperature of 800 ° C and atmospheric pressure in a stream of argon (flow rate of 150 cm 3 / min) for one hour. As a result, an array of oriented multilayer carbon nanotubes doped with nitrogen atoms is obtained on a silicon substrate. The outer diameter of the nanotubes is approximately 30 nm, and the length is approximately 120 micrometers. Synthesized carbon nanotubes contain about 4% nitrogen.
Затем на подложке с углеродными нанотрубками выращивают наночастицы сульфида кадмия CdS с использованием способа осаждения из раствора. В приготовленный аммиачный раствор тиомочевины, например с концентрацией тиомочевины 0.3 моль/л, путем добавления 100 мл водного раствора аммиака с концентрацией, например, 70.3 г/л и нагретый до 50°С, помещают подложку с углеродными нанотрубками. Приготовленный раствор хлорида кадмия CdCl2·2.5H2O с концентрацией, например, 0.03 моль/л, в 100 мл водного раствора аммиака, нагретый, например, до 50°С, добавляют в раствор тиомочевины. Раствор перемешивают и через некоторое время, например 10 минут, извлекают подложку из раствора, промывают дистиллированной водой и высушивают. Полученный таким образом катод соединяют через электроизоляционные вставки, выполненные из диэлектрического материала, с прозрачным анодом, между ними создают вакуумный зазор, например, 0,5 мм и подают постоянное напряжение, например, 1 кВ между катодом и анодом. В результате возникает эмиссионный ток электронов, которые вызывают свечение наночастиц CdS, нанесенных на углеродные нанотрубки, и которое наблюдается через прозрачный анод.Then, cadmium sulfide CdS nanoparticles are grown on a carbon nanotube substrate using a solution deposition method. A substrate with carbon nanotubes is placed in the prepared ammonia solution of thiourea, for example, with a thiourea concentration of 0.3 mol / L, by adding 100 ml of an aqueous solution of ammonia with a concentration of, for example, 70.3 g / L and heated to 50 ° C. The prepared solution of cadmium chloride CdCl 2 · 2.5H 2 O with a concentration of, for example, 0.03 mol / L, in 100 ml of an aqueous solution of ammonia, heated, for example, to 50 ° C, is added to the thiourea solution. The solution is stirred and after some time, for example 10 minutes, the substrate is removed from the solution, washed with distilled water and dried. The cathode thus obtained is connected through an insulating insert made of a dielectric material with a transparent anode, a vacuum gap is created between them, for example, 0.5 mm, and a constant voltage, for example, 1 kV between the cathode and the anode is applied. As a result, an emission current of electrons arises, which cause the glow of CdS nanoparticles deposited on carbon nanotubes, and which is observed through a transparent anode.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010139489/28A RU2459316C2 (en) | 2010-09-24 | 2010-09-24 | Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010139489/28A RU2459316C2 (en) | 2010-09-24 | 2010-09-24 | Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010139489A RU2010139489A (en) | 2012-03-27 |
| RU2459316C2 true RU2459316C2 (en) | 2012-08-20 |
Family
ID=46030633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010139489/28A RU2459316C2 (en) | 2010-09-24 | 2010-09-24 | Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2459316C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2540385C2 (en) * | 2013-06-17 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") | Method of obtaining semiconductor colloid quantum points of cadmium sulphide |
| RU2552597C1 (en) * | 2014-03-24 | 2015-06-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Flexible solar element |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009014707A2 (en) * | 2007-07-23 | 2009-01-29 | Qd Vision, Inc. | Quantum dot light enhancement substrate and lighting device including same |
| WO2009123763A2 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Qd Vision, Inc. | Light-emitting device including quantum dots |
| RU2370517C2 (en) * | 2007-10-23 | 2009-10-20 | Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) | Method of obtaining luminescent nanoparticles of cadmium sulphide, stabilised with polymer matrices |
-
2010
- 2010-09-24 RU RU2010139489/28A patent/RU2459316C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009014707A2 (en) * | 2007-07-23 | 2009-01-29 | Qd Vision, Inc. | Quantum dot light enhancement substrate and lighting device including same |
| RU2370517C2 (en) * | 2007-10-23 | 2009-10-20 | Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) | Method of obtaining luminescent nanoparticles of cadmium sulphide, stabilised with polymer matrices |
| WO2009123763A2 (en) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Qd Vision, Inc. | Light-emitting device including quantum dots |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2540385C2 (en) * | 2013-06-17 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") | Method of obtaining semiconductor colloid quantum points of cadmium sulphide |
| RU2552597C1 (en) * | 2014-03-24 | 2015-06-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Flexible solar element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010139489A (en) | 2012-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Manikandan et al. | A critical review on two-dimensional quantum dots (2D QDs): From synthesis toward applications in energy and optoelectronics | |
| Guo et al. | Coral-shaped MoS2 decorated with graphene quantum dots performing as a highly active electrocatalyst for hydrogen evolution reaction | |
| He et al. | Preparation and properties of ZnO nanostructures by electrochemical anodization method | |
| US9177745B2 (en) | Organic/inorganic composite comprising three-dimensional carbon nanotube networks, method for preparing the organic/inorganic composite and electronic device using the organic/inorganic composite | |
| Zou et al. | ZnO nanorods on reduced graphene sheets with excellent field emission, gas sensor and photocatalytic properties | |
| Qiu et al. | Solution-derived 40 µm vertically aligned ZnO nanowire arrays as photoelectrodes in dye-sensitized solar cells | |
| Zhong et al. | Controlled synthesis and optical properties of colloidal ternary chalcogenide CuInS2 nanocrystals | |
| Ham et al. | Vertically aligned ZnO nanowires produced by a catalyst-free thermal evaporation method and their field emission properties | |
| Li et al. | Effect of seed layer on structural properties of ZnO nanorod arrays grown by vapor-phase transport | |
| Wang et al. | Facile synthesis of p-type Cu 2 O/n-type ZnO nano-heterojunctions with novel photoluminescence properties, enhanced field emission and photocatalytic activities | |
| Zhang et al. | Aligned ZnO nanorods with tunable size and field emission on native Si substrate achieved via simple electrodeposition | |
| Guo et al. | White-light-emitting diode based on ZnO nanotubes | |
| KR20130069035A (en) | Process for forming hybrid nanostructure on graphene | |
| EP2764529B1 (en) | Method for manufacturing nanostructures | |
| Zhang et al. | Synthesis and efficient field emission characteristics of patterned ZnO nanowires | |
| Hsu et al. | Vertical single-crystal ZnO nanowires grown on ZnO: Ga/glass templates | |
| Liu et al. | Field emission properties of ZnO nanorod arrays by few seed layers assisted growth | |
| KR101655599B1 (en) | ENERGY GENERATING DEVICE COMPRISING ZnO NANOWIRE | |
| Sui et al. | Review on one-dimensional ZnO nanostructures for electron field emitters | |
| Algarni et al. | Highly stable field emission properties from well-crystalline 6-Fold symmetrical hierarchical ZnO nanostructures | |
| Im et al. | From Pristine to Heteroatom‐Doped Graphene Quantum Dots: An Essential Review and Prospects for Future Research | |
| Hussain et al. | Cadmium selenide nanowires from growth to applications | |
| RU2459316C2 (en) | Method of growing cadmium sulphide nanoparticles on carbon nanotubes and method of making light source | |
| Kim et al. | Growth and characterization of [001] ZnO nanorod array on ITO substrate with electric field assisted nucleation | |
| Pauporté | Design of solution-grown ZnO nanostructures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170925 |