一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料及其制备方法和应用

一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料及其制备方法和应用

近日，一项关于半导体材料和无机化合物纳米材料领域的创新研究引起了广泛关注。研究人员成功开发出一种在FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料，并详细介绍了其制备方法和在光电探测领域的应用前景。

背景技术

1. 硫化镉基纳米材料是应用最为广泛的光电材料之一，理想的直接带隙和合适的带边位置使其成为在光电探测器、光催化以及太阳能电池等领域最有前途的半导体材料之一。
2. 硫化铋具有优异的光吸收系数，其纳米材料具有优异柔韧性和机械稳定性，在光电探测包括可穿戴电子设备等方面有极大的应用前景。
3. 但是，现有技术制备的硫化镉、硫化铋不能满足现代日益提高的使用要求。现有技术对其进行复合制备，比如：
4. 2016年4月20日公开的公开号为CN 105513805 A的专利，公开了铜镉锗硫纳米晶、铜镉锗硫对电极及其制备方法与应用。其公开的铜镉锗硫纳米晶其铜、镉、锗与硫的摩尔比为(2～2.2):(l～1.2):(1～1.2):(4～4.2)，铜镉锗硫对电极的制备是通过在导电衬底上涂覆铜镉锗硫纳米墨水来实现。铜镉锗硫纳米晶是通过低温液相法合成，具有正交晶系，是纤锌矿衍生的超晶胞结构，具有尺寸均一、结晶度高、单分散性良好等优点。用于染料敏化太阳能电池对电极催化剂时，对I3-离子的还原表现出良好的催化活性。其制备的产品是纳米晶，没有公开其他形貌产品的制备方法。

技术实现思路

1. 本发明的目的在于提供一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料及其制备方法，在水热溶剂热体系下、低成本、简单制备纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构。
2. 本发明的还有一个目的在于提供一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料，用于光电探测领域。
3. 本发明具体技术方案如下：
4. 一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料的制备方法，包括以下步骤：
5. 1)将FTO玻璃放入含有硫源、镉源、表面活性剂和水的高压釜中，加热反应，得到FTO衬底上生长CDS纳米棒阵列材料；
6. 2)再将步骤1)制备的FTO衬底上生长CDS纳米棒阵列材料放入含有硫源、铋源和乙二醇的高压釜中，加热反应，得到FTO衬底上生长CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料。
7. 步骤1)中，所述硫源、镉源和表面活性剂的摩尔比为0.3-0.9：0.1-0.3：0.06-0.2；
8. 步骤1)中，所述镉源和水的用量比为0.0025-0.015mol/L；
9. 步骤1)中，所述硫源为硫脲；
10. 步骤1)中，所述镉源为四水硝酸镉；
11. 步骤1)中，所述表面活性剂为谷胱甘肽；
12. 步骤1)中，FTO玻璃导电面朝下放入高压釜中。
13. 步骤1)中，使用的去离子水温度为常温，25℃；
14. 步骤1)中，所述FTO玻璃为掺杂氟的SNO2导电玻璃；
15. 步骤1)中，所述加热反应是指：在180-200℃反应2-4h；
16. 步骤1)反应结束后，用去离子水和乙醇冲洗FTO玻璃样品，并放入真空烘箱进行干燥处理；
17. 步骤2)中，所述硫源、铋源的摩尔比为0.3-0.6：0.2-0.4；
18. 步骤2)中，所述铋源和乙二醇的用量比为0.0055-0.016mol/L；
19. 步骤1)中的镉源和步骤2)中的铋源摩尔比为0.1-0.3:0.2-0.4；
20. 步骤2)中，所述乙二醇的温度为常温，25℃；
21. 步骤2)中，所述硫源为硫脲；
22. 步骤2)中，所述铋源为五水硝酸铋；
23. 步骤2)中，所述加热反应是指：在60-80℃反应18-24h；
24. 步骤2)中反应结束后，用去离子水和乙醇冲洗FTO玻璃样品，放入真空烘箱进行干燥处理，得到FTO衬底上生长CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构。
25. 优选的，所述FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料的制备方法，包括以下步骤：
26. 1)将FTO玻璃依次用丙酮、乙醇和水超声洗净，并放入烘箱，干燥；依次称量硫脲、谷胱甘肽、四水硝酸镉和水放入聚四氟乙烯内衬中，超声得到混合溶液；将洗净干燥的FTO玻璃导电面朝下放入混合溶液中；装好反应釜，在180-200℃反应2-4h；反应结束后，用去离子水和乙醇冲洗FTO玻璃样品，并放入真空烘箱，干燥；
27. 2)称量硫脲、五水硝酸铋和乙二醇放入聚四氟乙烯内衬中，超声得到混合溶液；步骤1)中生长CDS纳米棒阵列的一面朝下放入混合溶液中；装好反应釜，在60-80℃反应18-24h；反应结束后，用去离子水和乙醇冲洗FTO玻璃样品，并放入真空烘箱，干燥，即得到FTO衬底上生长CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构。
28. 本发明反应体系中，首先硫源和镉源在聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜的高温高压下，微小的CDS晶核在FTO衬底上迅速产生，晶核在FTO表面沿着单一方向生长，同时在表面活性剂谷胱甘肽的作用下，向单一方向生长垂直结构的CDS纳米棒阵列，形貌均匀且不团聚；再经过硫源和铋源在聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜的高温高压下的生长负载，使用的乙二醇具有更高的粘性，在高温高压下生长的尺寸更合适与CDS纳米棒组成网状结构，最终得到FTO衬底上生长CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构。
29. 本发明提供的一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料，采用上述方法制备得到。产品为：FTO衬底上生长CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构，米棒尺寸在100-200nm，纳米线尺寸在5-10nm，交织成网状是构成特殊异质结，尺寸均匀。
30. 本发明得到的产品，可直接用于光电器件的组装和性能研究。分析样品的X-射线衍射数据，衍射峰在24.83°、26.54°、28.22°、36.66°、43.74°、47.89°和51.89°处的7个特征峰分别与CDS(01-077-2306)的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面相对应，负载BI2S3后，CDS/BI2S3异质结在15.65°、17.55°、31.74°、39.84°和45.40°处有5个明显的特征峰，分别对应于BI2S3的(020)、(120)、(221)、(141)和(002)晶面。这表明成功地合成了两个简单的组分并且具有良好的结晶性。
31. 本发明提供的一种FTO衬底上生长的纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构材料的应用，用于光电探测领域，尤其是宽带响应，近紫外到红外宽带光电探测器。本发明将合成的CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构的器件进行了光电性能测试，结果表明构筑该异质结材料在光电探测领域有很大的潜力。
32. 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明采用反应釜的简单水热溶剂热体系，制备出了FTO衬底上生长形貌均一的网状CDS-BI2S3纳米棒阵列-纳米线异质结结构，操作方便，无需复杂步骤，该器件可直接用于光电器件的组装和性能研究。FTO衬底上生长纳米棒阵列-纳米线网状异质结结构，具有特殊的垂直结构，有利于载流子迁移，同时特殊的网状异质结结构，大大提高了光吸收效率，并且抑制载流子复合，扩宽了光谱效应范围。