專利名稱：一種催化劑輔助真空熱蒸發(fā)生長(zhǎng)CdS納米棒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)領(lǐng)域，具休涉及--種催化劑輔助真空熱蒸發(fā)生長(zhǎng)微觀形貌為納米棒CdS的方法。
背景技術(shù)：
CdS屬于II -VI族半導(dǎo)體材料，同該族其他半導(dǎo)體材料一樣是直接能隙半導(dǎo) 體，室溫下的禁帶寬度為2.42電子伏特，屬可見光范疇。在光電子領(lǐng)域，它是 非常重要的一種半導(dǎo)體材料，可被用于構(gòu)建非線性光學(xué)器件和發(fā)光二極管。同 時(shí)它也是很好的光活性波導(dǎo)和電致發(fā)光材料，可被廣泛用于通訊、信息存儲(chǔ)以及 高集成的化學(xué)或生物傳感器等領(lǐng)域。近年來(lái)，納米材料的發(fā)展顯示，納米尺度 的材料很可能有更優(yōu)異的性質(zhì)，可以制備出性能更好的器件。在納米材料中， 一維納米材料，包括納米棒、納米線等都有重要的技術(shù)應(yīng)用前景，是當(dāng)前材料 科學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。目前已有的眾多生長(zhǎng)一維納米結(jié)構(gòu)的方法中，熱蒸 發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法是操作相對(duì)簡(jiǎn)單、成本廉價(jià)的方法。美國(guó)華盛頓大學(xué) Younan Xia小組采用空氣中熱氧化法在Cu襯底表面氧化生成了具有均勻陣列密 度的CuO納米線陣列，參閱Nano Lett.第12期第2巻1334-1 338頁(yè)；中國(guó)中山大 學(xué)N. S. Xii小組采用直接熱蒸發(fā)法在(1QG) Si襯底上生成了高度與直徑均一性 良好的Mo03納米線陣列，并且該納米線陣列具有良好的場(chǎng)發(fā)射特性，參閱Appl. Phys. Lett.第13期第83巻2653-2655頁(yè)；中科院物理所H. J. Gao小組在2005 年使用直徑為O. 3mm的鎢絲為蒸發(fā)源采用熱蒸發(fā)法在(111) Si襯底上生成具有 強(qiáng)光致發(fā)光性質(zhì)的氧化鎢納米線，參閱Appl. Phys. Lett.第86期第141901頁(yè)。
上述方法均存在兩個(gè)過程(1)熱蒸發(fā)過程；(2)氧化過程，因此這種方法只 適合于制備金屬氧化物的納米結(jié)構(gòu)，無(wú)法應(yīng)用于其他非氧化合物納米結(jié)構(gòu)的制 備之中?；瘜W(xué)氣相沉積法在制備材料的納米棒、納米線等結(jié)構(gòu)方面有大量的報(bào)道。如G.X. Wang等以CdSe粉為原料，以氬氣為載氣，在鍍金的襯底上生長(zhǎng)了各種 形貌的CdSe納米線，參閱A卯l. Phys. Lett. 2006年第88期第193115頁(yè)； Z.Q. Wang等以Cd棒和S粉為原料，氮?dú)鉃檩d氣，在無(wú)催化劑附著的不銹鋼襯 底上生長(zhǎng)了CdS納米帶，參閱Appl. Phys. Lett. 2006年第89期第033102頁(yè)； R.M. Ma等以CdS粉為原利.，氬氣為載氣，在鍍金的(111) Si襯底上生長(zhǎng)出具 有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的CdS納米線，參閱Nanotechnology 2007年第18期第205605頁(yè)； SoumitraKar等以CdS粉為原料，氬氣為載氣，在鍍金的Si襯底上生長(zhǎng)出了各 種一維納米結(jié)構(gòu)，其中包括了納米線，納米帶，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)納米線，珍珠鏈狀納 米線和納米線陣列，參閱J. Phys.Chem. B 2QQ6年第110期第4542頁(yè)。 一般說(shuō) 來(lái)，化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)納米棒或線要求用氣體來(lái)傳輸生長(zhǎng)物。可以看到，目前用熱蒸發(fā)法制備納米棒的典型材料為金屬氧化物，沒有制 備硫化鎘納米棒的報(bào)道，化學(xué)氣相沉積法制備硫化鎘納米棒需要引入反應(yīng)氣和 載氣，不易控制，很難在多種襯底上得到大面積形貌均勻的納米結(jié)構(gòu)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種催化劑輔助真空熱蒸發(fā)法生長(zhǎng)CdS納米棒的方 法，該方法能夠獲得微觀形貌為納米棒的CdS。本發(fā)明是通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的以鉍金屬粉末做為催化劑，高純CdS粉末(99.5%)為原料，按摩爾比為 1: 0. 35-1: 0. 01將CdS粉末與鉍金屬粉末均勻混合后置于鉬片做成的電阻加熱舟中，將襯底置于蒸發(fā)源上方3毫米至3厘米處，當(dāng)包含有電阻加熱舟和襯底的真空蒸發(fā)爐腔體的真空度達(dá)到2X1(T-2X10'Pa后，優(yōu)選在2X1(T時(shí)，密閉腔 體，通電流為100-180A熱蒸發(fā)沉積5min-15min，在襯底上發(fā)現(xiàn)黃色或黃褐色的 沉積物，即為CdS納米棒。其中，所述納米結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)度為1-2|um，直徑為50-60nm的納米棒和/或長(zhǎng)度 為3-5,，直徑最大處為500-8Q0nm的大頭針狀納米棒和/或長(zhǎng)度為5-l(^m，直 徑為100-200nm的納米線和/或直徑為50-300nm的納米線陣列。進(jìn)一步地，所述襯底為ITO玻璃、石英玻璃、硅片、鉬片、鎳片、藍(lán)寶石 片等。進(jìn)一步地，所述真空蒸發(fā)爐為電阻式加熱，優(yōu)選加熱器為鉬片的蒸發(fā)爐， 更優(yōu)選蒸發(fā)源直接放置于鉬片加熱器上。本發(fā)明制備出的CdS納米棒為晶態(tài)的六方相CdS,如圖1所示，其表面形貌 如圖2，圖3，圖4所示。本發(fā)明直接使用混合的Bi和CdS粉為原料，將蒸發(fā) 源和沉積區(qū)域分離，有效的避免了雜質(zhì)和其他副產(chǎn)物的影響，獲得的CdS納米 棒具有沉積面積大、形貌較均勻，結(jié)晶性好等特點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單， 易于推廣，適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。


圖1實(shí)施例1產(chǎn)品的XRD圖譜，女表示催化劑Bi的衍射峰，參表示產(chǎn)物CdS 的衍射峰，B表示襯底鉬的衍射峰。圖2實(shí)施例1產(chǎn)品的掃描電鏡圖片。 圖3實(shí)施例2產(chǎn)品的掃描電鏡圖片。 圖4實(shí)施例3產(chǎn)品的掃描電鏡圖片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0. 125mol均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，用另一鉬片作為襯 底置于蒸發(fā)源上方約5mm處。當(dāng)真空度達(dá)到8X 10—3Pa后，密閉蒸發(fā)腔體，以2. 5A/ 分鐘的電流增加速率使電流逐漸增加至13QA后保持10分鐘。在沉底表面有黃 色沉積物。SEM觀察襯底沉積物的表面形貌為大頭針狀納米棒，其大頭端為 500-800nm顆粒，與顆粒相連納米棒直徑由300-5G0nm逐漸減小，棒長(zhǎng)為3-5pm, 如圖2。 XRD分析結(jié)果表明產(chǎn)品的主相為六方CdS，催化劑為六方Bi，如圖l。實(shí)施例2采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.04mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，ITO玻 璃為襯底置于蒸發(fā)源上方約2cm處。當(dāng)真空度達(dá)到8X10—3Pa后，密閉蒸發(fā)腔體， 以2. 5A/rain的電流增加速率使電流逐漸增加至130A后保持15分鐘。在襯底表 面有黃色沉積物。SEM觀察襯底沉積物的表面形貌為長(zhǎng)度為1-2nm，直徑為 50-60nm的納米棒，如圖3。實(shí)施例3釆用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.312mol的比例均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，硅片作為襯 底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到8Xl(TPa后，密閉蒸發(fā)腔體，以 2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至130A保持15分鐘。在襯底表面有 黃色沉積物。SEM觀察沉積物的表面形貌為分布均勻的長(zhǎng)度為5-lQjam，直徑為100-200 nm的納米棒，如圖4。 實(shí)施例4采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.08mo1的比例均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，另一鉬片為襯 底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到2Xl(TPa后，密閉蒸發(fā)腔體，以 2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至130A后保持10分鐘。鉬襯底上得 到的黃色沉積物分析顯示制備得到了 CdS納米棒。實(shí)施例5采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.125mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，另一 鉬片為襯底置于蒸發(fā)源上方約5mm處。當(dāng)真空度達(dá)到8X10—卞a后，密閉蒸發(fā)腔 體，以2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至130A后保持15min。鉬片上 得到的黃色沉積物分析顯示制備得到了 CdS納米棒。實(shí)施例6采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0. 08mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅 片為襯底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到2X10"Pa后，封閉蒸發(fā)腔體， 以2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至130A后保持15min。硅片上得到 的黃色沉積物即為本發(fā)明制備得到的CdS納米棒
實(shí)施例7采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料.，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.08mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅 片為襯底置于蒸發(fā)源上方約2cm處。當(dāng)真空度達(dá)到1.5X10—2pa后，封閉蒸發(fā)腔 體，以2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至"OA后保持15min。硅片上得到的黃褐色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。實(shí)施例8采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.125mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，藍(lán)寶 石片做為襯底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到2X10—2Pa后，密閉蒸發(fā) 腔體，以2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至130A后保持lQmin。藍(lán)寶 石片上得到的黃色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。實(shí)施例9采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol : 0.18mol的比例均勻混合后，將得到的粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅 片為襯底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到9X 10—3Pa后，密閉蒸發(fā)腔體, 以2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至120A后保持10min。硅片上得到 的黃色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。實(shí)施例10采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬鉍粉為催化劑，兩者按lmol :
O.OSmol的比例均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅片為襯 底置于蒸發(fā)源上方約1.5cm處。當(dāng)真空度達(dá)到2X10，a后，密閉蒸發(fā)腔體，以 2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至15GA后保持10min。硅片上得到的 黃褐色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。實(shí)施例11采用高純CdS粉末(99. 5%)為原判.，高純金屬錫粉為催化劑，兩者按lmol : 0. 08mol的比例均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅片為襯 底置于蒸發(fā)源上方約1.5cm處。當(dāng)真空度達(dá)到2X10，a后，密閉蒸發(fā)腔體，以 2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至15GA后保持10min。硅片上得到的 黃褐色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。實(shí)施例12采用高純CdS粉末(99. 5%)為原料，高純金屬錫粉為催化劑，兩者按lmol : 0.15mol的比例均勻混合后，將粉末直接放置到鉬片加熱器之上，單晶硅片為襯 底置于蒸發(fā)源上方約lcm處。當(dāng)真空度達(dá)到2X10，a后，密閉蒸發(fā)腔體，以 2. 5A/min的電流增加速率使電流逐漸增加至14GA后保持lQmin。硅片上得到的 黃褐色沉積物即為本發(fā)明制備得到的納米棒。
權(quán)利要求
1、一種催化劑輔助真空熱蒸發(fā)生長(zhǎng)CdS納米棒的方法，其特征在于通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的按摩爾比為1∶0.35-1∶0.01的比例將CdS粉末與鉍金屬粉末均勻混合后置于以鉬片為材料做成的電阻加熱舟中，將襯底設(shè)置于蒸發(fā)源上方3毫米至3厘米處，當(dāng)包含有電阻加熱舟和襯底的真空蒸發(fā)爐腔體的真空度達(dá)到2×10-2-2×10-3Pa后，優(yōu)選在2×10-3時(shí)，密閉腔體，通電流為100-180A熱蒸發(fā)沉積5分鐘-15分鐘，在襯底上形成黃色或黃褐色的沉積物，即為CdS納米棒。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所用生長(zhǎng)裝置是真空蒸發(fā)爐。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空度為2xl(T2-2x10—3Pa。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過鉬片加熱器的電流大小為 100-180A。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述襯底為ITO玻璃、石英玻璃、 硅片、藍(lán)寶石、鉬片、鎳片。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述催化劑為金屬鉍粉末，此外催 化劑也可以為金屬錫粉末。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發(fā)爐的加熱方式為電阻 加熱。
8、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發(fā)爐的加熱器為鉬片加 熱器。
9、 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，蒸發(fā)原料放置于所述鉬片加熱器上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種催化劑輔助真空熱蒸發(fā)生長(zhǎng)II-VI族半導(dǎo)體化合物CdS納米棒的方法，是通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的將CdS粉末和金屬Bi粉末按摩爾比為1∶0.01-1∶0.35的比例均勻混合作為原料，置于鉬片制成的電阻加熱舟中，并在舟上方3毫米-3厘米處放置各種襯底。當(dāng)內(nèi)置上述蒸發(fā)沉積系統(tǒng)的真空蒸發(fā)爐腔體達(dá)到2×10^-2-2×10^-3Pa的真空環(huán)境后，密閉蒸發(fā)爐，電阻加熱舟通電流為100-180A保持5-15分鐘進(jìn)行蒸發(fā)沉積。本發(fā)明制備出的硫化鎘納米棒為晶態(tài)的六方相結(jié)構(gòu)的CdS。本發(fā)明所得的硫化鎘納米棒具有適用于多種襯底、沉積面積大、形貌較均勻的特點(diǎn)；本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，易于推廣，適合大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01G11/02GK101397149SQ20081007297
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者榮 吳, 孫言飛, 簡(jiǎn)基康, 華 鄒, 鄭毓峰 申請(qǐng)人:新疆大學(xué)