研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
印度勒克瑙大学物理系
收到的日期: 03/05/2017;接受日期:18/05/2017;发布日期: 25/05/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000167
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采用共沉淀法制备了硫化镉(cd)硫化物。商业获得的CdS (S1)中均存在立方相和六方相，而实验室使用乙醇(S2)和蒸馏水(S3)制备的样品仅在立方相中均匀存在。用Debye- Scherrer公式测定样品S1、S2和S3的平均晶粒尺寸分别为20.9、3.5和4.9 nm。所有样品的SEM图像显示，表面形貌均为纳米颗粒的组合形式。吸收光谱显示，样品S1在538 nm处有一个峰，S2在482 nm处有一个峰，S3在516 nm处有一个峰。根据布鲁斯方程计算S1、S2和S3的光学尺寸分别为4.47、4.00和10.96 nm。样品的吸收系数从可见光区到近紫外区不断减小，而随着波长的增加，样品的吸收常数上升到可见光区。PL光谱显示了可见光区的有效光电发射特性。FTIR光谱显示，制备的样品S2和S3在610 cm-1处有一个峰，这归因于CdS的形成。
CdS粉末，XRD, SEM, uv -可见光光谱，光致发光，FTIR
硫化镉(cd)是最重要的II-VI无机镉之一半导体在室温下具有直接带隙(2.42 eV)的金属硫族化合物家族成员。它以两种不同的晶型存在，六方(纤锌矿)形式，或立方(锌闪锌矿)形式[1］．一般;硫化镉在室温下的稳定结构为锌闪锌矿，即立方亚稳相，而在300℃以上的稳定结构为六方晶相。大多数无机硫化镉半导体是电子受体的良好候选者。目前制备CdS纳米颗粒的方法有气相法、溶剂热法、化学浴沉积法、微波辅助溶液沉淀法等。由于不同的相具有不同的晶格振动和非线性光学系数，这些方法需要高温，并使用有毒和高灵敏度的化合物来处理不同的相结构。从立方相到六方相的相变过程需要高温或高压。因此，采用低成本、快速、控制半导体尺寸和形状的有效共沉淀法具有重要意义纳米结构通过探索与室温下光学研究相关的新方法和简单的制备技术，硫化镉在未来的通用用途中具有很高的吸引力[2-4］．光活性胶体发光半导体纳米晶体简称为"量子点量子点是一种具有独特尺寸可调带隙、消光系数高、光稳定性好的敏化太阳能电池的高效低成本光伏器件。由于太阳能的广泛利用，CdS量子点更具吸引力光谱在可见光区400 ~ 550nm波长范围内具有较强的光学吸收。
带隙随着粒子尺寸的减小而增加是CdS半导体中量子限制最明显的方面[5，6］．由于CdS纳米颗粒带隙的增大，它被广泛应用于光电子学、光子学、光伏和光催化等领域。量子点作为异质结太阳能电池的窗口材料，避免了光生载流子的重组，从而提高了太阳能电池的效率。在光电子学领域，硫化镉量子点被用于制造光电池、发光二极管(LED)、激光器、非线性光学、多相光催化、高密度磁信息存储和地址解码器。在光子学中，CdS被用于制造纳米晶体、传感器、光学滤光器和全光开关。CdS也被用作油漆和工程塑料的颜料，以获得良好的热稳定性。这些特性是CdS纳米颗粒中存在的高表面体积比的结果。
纳米晶、纳米棒、纳米晶须、纳米线、纳米带、纳米管等不同形态和结构的纳米相合成硫化镉的方法层出不穷。固体粉末等半导体纳米颗粒的大规模合成不仅对其物理性质的研究至关重要，而且对其在催化、光催化和微电子等领域的工业应用也至关重要[7-10］．
硫化镉的许多基本性质已被表达为尺寸和形状的函数，控制半导体纳米晶体的这些方面将为定制材料的性质提供机会，并为观察有趣和有用的物理现象提供可能性。各种形状的CdS纳米晶体的合成策略的发展仍然是非常重要的领域材料科学。各种反应参数和溶剂对CdS纳米结构形貌的影响已被各种研究者广泛研究[11］．
在本工作中，研究了商业获得的样品(S1)和实验室制备的效果;研究了样品S2(乙醇)、蒸馏水(S3)对硫化镉(CdS)光学性质的影响。
在本实验中，使用从CDH实验室试剂处采购的市售硫化镉粉(杂质最大限度-水溶性物质:2%，氯化物:0.02%，硝酸盐:0.002%，铁:0.03%)，并将其命名为样品S1。另外两个样品的cd是用乙醇和蒸馏水作为溶剂制备的。将2.665 g醋酸镉溶于50 ml乙醇中，置于容量瓶中，制成0.2 M乙醇溶液。同样，将0.781 g硫化钠溶解在乙醇中，得到0.2 M的乙醇溶液。两种溶液分别在室温下保存1小时，然后混合。将得到的溶液在40℃恒磁搅拌1 h，以获得均匀性。还加入了氢氧化铵，以保持在该温度下pH值为7。pH值用pH指示条确认。由此产生的黄色沉淀物通过过滤从溶液中分离出来，分别用乙醇和蒸馏水洗涤多次。
最后，沉淀物在60°C的热风炉中干燥4 h，得到的粉末命名为样品S2。以蒸馏水为溶剂，采用相同的工艺对CdS粉末进行沉淀。这一次，沉淀物必须在100°C下干燥4小时。该样品需要更高的温度才能获得合适的干燥条件。这种粉末被命名为样品S3。最后，将S1(商业制备)、S2(乙醇制备)和S3(蒸馏水制备)三个样品用研钵和研杵研磨，得到精细的CdS粉末进行表征。
x射线衍射采用XRD (x射线衍射仪)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-visible absorption spectroscopy)、光致发光(PL)光谱和傅里叶变换红外(FTIR)光谱对三种不同的CdS粉末样品进行了表征。采用Regaku ultima-IV x射线衍射(XRD)对CdS样品的晶体结构进行了表征，采用CuKα辐射(波长1.5404 Å)在2θ范围内(10°至70°)，扫描速度为2°/秒。使用英国剑桥的LEO-430型扫描电子显微镜观察样品的表面形貌。用JASCO V670 UV-VIS-NIR分光光度计记录样品S1、S2和S3在正常入射条件下的吸收光谱，光谱范围为400 ~ 600 nm，采用光程为1cm的石英比色管。用LS55 Perkin Elmer荧光光谱仪记录了样品的PL光谱。使用Bruker Alpha光谱仪在4000-400 cm-1的中红外范围内记录样品的FTIR光谱。所有测量均在室温下进行。
x射线衍射
x射线衍射是一种利用样品的衍射峰来测定纳米晶块材料中晶粒平均大小的简便方法。商业制备和两种合成CdS样品的XRD谱图如图所示图1。它显示了被样品S1, S2和S3的晶体衍射的结构峰。样品S1的XRD峰分别为26.46°(111)、43.82°(220)和51.91°(311)，对应立方相[12]而24.90°(100)、28.22°(002)和47.97°(103)的相对应于文献中报道的六方相[4，7，10］．因此，CdS样品S1(商业获得)既显示立方相，也显示六方相。样品S2(乙醇制备)出现在26.65°、44.23°和52.020的峰对应于立方相的(111)、(220)和(311)面[13，14］．在蒸馏水中制备的样品S3中，峰出现在26.55°、30.29°、43.79°和52.00°，分别对应于cd的(111)、(200)、(220)和(311)个平面，揭示了立方晶体结构[15，16］．
图1:CdS样品S1, S2, S3的XRD谱
晶粒尺寸D纳米粒子由Scherrer方程D=Kλ/βcosθ计算，其中λ为CuKα线的波长，β为峰的半最大全宽(FWHM)或衍射峰的展宽，θ为衍射角[10］．样品S1、S2和S3的平均晶粒尺寸分别为20.9、3.5和4.9 nm。
扫描电子显微镜
在扫描电子显微镜中，电子与样品中的原子相互作用，产生各种可以检测到的信号。这提供了关于生长机制、形状和样品大小的重要信息。
cd样品的SEM图像如图2所示。样本S1的像(图2)显示表面的海绵状性质。样本S2(图2 b)，表面性质再次被发现是海绵状的，但颗粒有些清晰。从示例S3的图像(图2)，观察到颗粒在100 nm范围内呈小簇状，非常清晰。
图2:cd样品S1 (a)， S2， (b)和S3(c)的SEM图像。
紫外可见光谱
紫外-可见吸收光谱被用来确定量子大小粒子的大小和光学性质。当纳米晶粒子的尺寸接近激子玻尔半径时，由于量子限制现象，可以观察到能量的蓝移[13］．在量子约束效应中，当粒子粒径小于有效玻尔半径(5.28 nm)时，量子约束同时存在强约束和弱约束，当粒子粒径大于有效玻尔半径时，量子约束为强约束和弱约束。
强约束和弱约束是由于样品中存在小颗粒和大颗粒而产生的。一般来说，纳米晶样品是小颗粒和大颗粒的组合，随着颗粒尺寸减小到纳米级，半导体的带隙增加，导致UV-vis吸收光谱的蓝移。如果制备的CdS样品的吸收峰与体块CdS相比出现蓝移(450-495 nm)，则很容易理解制备的CdS样品存在量子限制效应[14］．
用紫外-可见光谱法观测到的吸收光谱图3；CdS样品的吸收波段分别为S1 (538 nm)、S2 (482 nm)和S3 (516 nm)。所有样品对应的带隙可以用方程E来确定np= 1240 /λ马克斯分别为2.30,2.57和2.40 eV。商业CdS样品S1的光谱在538 nm左右显示出一个宽的吸收带，这表明在可见区域具有有效的光吸收特性[15]，在482 nm处观察到样品S2(乙醇制备)的光谱，表明CdS纳米粒子分布狭窄，可见482 nm处相对于块状CdS (513 nm,2.42 eV)的蓝移是由量子限制效应造成的[16]以及在体积CdS附近516nm处观察到的CdS样品S3(用蒸馏水制备)的吸收光谱，对于零维量子约束材料在光电子学和光子学中的实际应用具有重要意义[5］．测量带隙值的减小主要是由于生长条件的强烈依赖和不同生长晶体中缺陷中心的反射。
图3:样品S1, S2, S3的吸收光谱。
利用带隙值，可以通过布鲁斯方程[17，18］．由于采用布鲁斯方程来描述量子点半导体纳米晶体的发射能，从而给出了晶体半径与能隙之间的关系，从而解释了量子尺寸效应。Brus等人解释了蓝移理论，提出了有效质量近似公式Enp= Eo+ (h2/ 8 r2) {1 / m *e+1/m*hnp为纳米粒子的带隙，Eo为体CdS的带隙(2.42 eV)， m*e为电子的有效质量(0.19 me)， m*h为空穴的有效质量(0.8 me)， R为粒子半径[13］．该方法对样品S1、S2和S3在2.30、2.57和2.40 eV带隙下的光学尺寸分别为4.47、4.00和10.96 nm。吸收光谱显示了系统的蓝移，这也被荧光测量所证实[19］．
吸收系数
吸收系数(α)是一种材料的性质，它定义了入射光子被它吸收的数量，这取决于入射光子的能量以及材料的成分。吸收系数(α)随光子能量的变化可以用基吸收、激发吸收和价带受体吸收来解释[20.］．对于许多玻璃状和非晶态非金属材料，吸收边可分为三个不同的区域;(i)高吸收区(α≥104 cm)－1)，其中吸收与带间跃迁有关，涉及价带和导带之间的光学跃迁，决定了光学带隙，(ii)在102 -104 cm范围内α的光谱区域－1被称为乌尔巴赫指数尾区，在该区域内，吸收以指数方式依赖于光子能量。在这一区域，大多数光学跃迁发生在局域态和扩展带态之间，并提供了有关加性引起的结构无序相对变化的信息。21]， (iii)低吸收区(α<1 cm－1)意味着弱吸收尾，涉及低能量吸收，源于缺陷和杂质，其形状和大小取决于纯度、热历史和制备条件[22，23］．
吸收系数(α)由Beer-Lambert定律计算(α=2.303A/t)，其中A为依赖于点缺陷波长和密度的光吸收，(t)为光程长度(10mm)。图4为样品S1、S2、S3随入射光子能量的吸收系数。随着入射光子能量的增加，吸收系数从可见光区向近紫外区不断减小。所有样品均表现出较低的吸收系数，这是由于缺陷和杂质导致整个材料产生载流子。因此，由于样品S1、S2、S3的吸收系数(α)较小，可能不适合用于光学数据的存储。
图4:样品S1, S2, S3对光子能量的吸收系数。
吸收常数(K)
吸收常数/消光系数表示电磁波(入射光)在材料中传播时的吸收损失量。吸收常数的变化与光学透过率的变化有关。
图5表示样品S1、S2、S3随波长增加的吸收常数。随着波长的增加，所有样品的吸收常数增加到可见区域。因此，通过样品可见区域的最大光损失量。吸收常数由公式K=λα/4π [24］．
图5:样品S1, S2, S3的吸收常数随波长变化。
光致发光光谱
PL谱提供了可以用来确定电子能级的跃迁能。图6在390 nm激发波长下，样品S1、S2、S3的PL光谱强度随波长的增加而增加。样品S1、S2和S3分别在580 nm、584 nm和583 nm的黄色波段发射处检测到发光峰，其中S2、S3的发光强度最高。
图6:样品S1, S2, S3的PL谱。
样品S2在526 nm处观察到的绿带发射是由于由于间质硫离子的存在而产生的电子从导带跃迁到受体水平[25］．由此可见，CdS在可见光区域表现出有效的光电发射特性，这表明实验室制备的样品S2和S3在材料表面具有最少的缺陷，从而提高了PL强度。而在样品S1中，由于不完全吸收，在较低能量时发光强度下降[26］．
傅里叶变换红外光谱
三种cd样品的FTIR光谱均在4000-400 cm中红外区域获得－1，显示在图7。红外光谱中的每个波段都代表分子的特定变形，一组原子的运动或特定键的弯曲或拉伸。
图7:CdS样品S1, S2, S3的红外光谱。
观测到的峰对应1420厘米－1(S2和S3样品)，1522厘米－1(样本S1)及1532厘米－1(S2和S3样品)证实了甲基的C=O拉伸，而在3618,3740,3847 cm处观察到了甲基的C=O拉伸－1三个样品均对应O-H拉伸[27-29］．在530厘米(S2)， 533厘米(S1)， 556厘米(S2)， 610厘米(S2, S3)和674厘米处观察到的峰－1(S2, S3)为弯曲振动指纹区。因此，峰值对应610厘米－1样本S2和S3的振动归因于其他文献报道的Cd-S拉伸模式[19，27，29]，再加上XRD，证实了CdS的形成。
采用共沉淀法合成了CdS纳米颗粒。CdS样品S1的XRD图谱为六方相和立方相，S2和S3的XRD图谱仅为立方相，平均晶粒尺寸分别为20.9、3.5和4.9 nm，反应性、散射性和比表面积均有所增加。从扫描电镜图像，可以注意到表面形貌是纳米颗粒的组合形式。根据布鲁斯方程，样品S1、S2和S3的光学尺寸分别为4.47、4.00和10.96 nm，样品S1、S2表现出系统的蓝移，证实了粒子的量子限制。所有样品的最大吸收系数都在可见光区，随着光子能量的增加，在近紫外区不断减小。随着波长的增加，通过样品的吸收损失随着可见光区透过率的降低而增加。在PL光谱中，三个样品都出现了黄色带，而只有样品S2出现了绿色带。FTIR和XRD均证实了CdS的形成。因此，从上述结果来看，所有三种样品都适用于光电子学和其他应用，但主要集中在获得的硫化镉样品S3(在正常蒸馏水中制备)，与S1、S2相比，在光学和其他表征技术方面的结果几乎相同。它可能在许多光电应用，包括太阳能电池，光电二极管，发光二极管等，在未来的一般和科学学科，以简单的技术和低成本，没有任何额外的要求。
作者向印度德里的固体物理实验室表示感谢，感谢他们提供了对样品进行XRD分析的设施。这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定的资助。
