专利名称：一种制备硫化镉纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料的制备方法，具体是指一种硫化镉米线的制备方法。
背景技术：
硫化镉(CdS)是一种直接带隙半导体(带宽2. 4eV)，已被广泛应用于光电领域。 而CdS纳米线由于尺寸小，比表面大，量子尺寸效应显著，这使得纳米体系的光，热，电等物 理特性与常规的块体材料不同，出现许多新奇特性。研究表明，CdS纳米线在纳米发电机， 太阳能电池，场效应管，纳米激光器以及纳米光导器件领域具有广泛的应用前景。目前制备 CdS纳米线的方法主要分为液相法和气相法。液相法主要有电化学法，离子交换法，化学沉 淀法以及水热法。而气相法主要包括高温升华法和化学气相沉积法。虽然这些方法能有效 制备CdS纳米线，但是这些CdS纳米线产物的尺寸不均勻，合成条件不可控。最近，许多传统 上用来制备薄膜的方法被广泛应用于纳米线的制备。例如，金属有机化学气相沉积法，脉冲 激光沉积法以及分子束外延法已被用于纳米线材料的制备。而脉冲电子束沉积法作为一种 新奇，有效的薄膜制备技术，被广泛用于多组分氧化物超导和磁性薄膜的制备。脉冲电子束 沉积法能在靶材的表面产生高能量密度的电子束，这使得靶材的热动力学特性比如熔点和 比热等在蒸发过程中就变得不重要了，这一点对于复杂，多组分的薄膜材料特别具有优势。 但是目前还没有采用脉冲电子束沉积法制备CdS纳米线的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺可控性强，效率高的制备CdS纳米线的方法。本发明的制备CdS纳米线的方法，采用新颖的脉冲电子束沉积技术，步骤如下(1)先将硫化镉粉(CdS)和硫粉(S)用研磨混合均勻，其中硫化镉粉(CdS)与硫粉的摩尔比为5-12 1 ；(2)然后用压片机将混合物压成靶材，其中压片机的压力为15兆帕(MP)以上；(3)在硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度为8-12纳米的金(Au)薄膜；(4)把靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台位置，用导电银胶将镀金的硅(Si) 衬底粘在不锈钢加热器上，其中加热器的温度为750-900°C ；(5)在脉冲电子束沉积过程中，先将腔体抽真空，通入氩气(Ar)，使得腔体内的压 力为10毫托(mTorr)；其中，靶材与硅(Si)衬底的距离设定为4_8厘米，脉冲电子束的频 率为3-5赫兹(Hz)，并将电子束的电压固定在10-20千伏(kV)；沉积时间为20-60分钟；(6)将脉冲电子束沉积系统冷却至室温后将硅衬底取出，硅衬底表面的沉积物为 硫化镉纳米线；其中Si衬底表面有一层黄色的沉积物，即为硫化镉纳米线。作为优选，上述制备方法步骤(1)的CdS与S的摩尔比为9 1，相对于其它配比 组合，9 1的配比具有非常好的技术效果。作为优选，上述制备方法步骤O)中压片机的压力为20兆帕。作为优选，上述制备方法步骤(3)中在硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度为10纳米的金薄膜。作为优选，上述制备方法步骤中加热器的温度为800 850°C。作为优选，上述制备方法步骤( 中靶材与衬底的距离设定为6厘米，脉冲电子束 的频率为4赫兹，电子束的电压为15千伏，沉积时间为30 45分钟。有益效果本发明制备过程中，所用试剂均为商业产品，无需繁琐制备；本发明制 备过程中，所制备的硫化镉纳米线具有优良的荧光特性，没有发现由于缺陷和杂质引起的 缺陷发光；本发明采用脉冲电子束沉积技术制备硫化镉纳米线，工艺可控性强，易操作，成 本低，制得的产物纯度高。
图1是用本发明方法制得的硫化镉纳米线的扫描电镜(SEM)照片；图2是用本发明方法制得的硫化镉纳米线的X射线衍射(XRD)谱图；图3是用本发明方法制得的单根硫化镉纳米线的透射电镜能谱(TEM-EDX)谱图。图4是用本发明方法制得的单根硫化镉纳米线的高分辨透射电镜图片(HRTEM)。图5是用本发明方法制得的硫化镉纳米线的荧光光谱图。
具体实施例方式以下结合实例进一步说明本发明。实施例1先将0. 9摩尔(mol)硫化镉粉(CdS)，和0. 1摩尔(mol)硫粉⑶用研磨混合均 勻。其中CdS与S的摩尔比为9 1。然后用压片机将混合物压成靶材。压片机的压力 设为20兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为10纳米的金 (Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台位置，同时用导电银胶将镀金的Si 衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中，先将腔体抽真空后，通入一定量的氩 气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材与衬底的距离设定为6厘米(cm)，脉 冲电子束的频率为4赫兹(Hz)，并将电子束的电压固定在15千伏(kV)。加热器的温度为 800°C，沉积时间为30分钟。最后将脉冲电子束沉积系统冷却至室温后将Si衬底取出，发 现Si衬底表面有一层黄色的沉积物。直接在扫描电镜下观察如图1，可以发现大量纳米尺 寸的线状产物生成。图2的XRD衍射谱图证实产物为纯的六角晶系的纤维锌矿硫化镉，没 有发现其他产物的衍射峰。所得的XRD图谱与参照的硫化镉标准衍射卡片(No. 41-1049)相 符。图3的TEM-EDX分析表明纳米线产物由Cd和S元素组成。其中Cd和S的原子比例为 1 0.95，与标准的CdS中的Cd和S的原子比接近。其中Cu和C元素来源于做TEM-EDX 分析所用的表面镀碳的Cu栅格，与样品成分无关。图4的HRTEM图谱清楚表明CdS纳米线 具有极好的晶化质量，并没有发现明显的体缺陷。图5的荧光光谱只观察到CdS纳米线在 510纳米的带边发光，并没有发现由于其他缺陷例如点缺陷和体缺陷所引起的缺 陷发光带。这些结果表明利用脉冲电子束沉积技术所制备的CdS纳米线具有极好的晶化质 量和完美的荧光特性。实施例2先将0. 9mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机将混合物压成靶材。压片机的压力设为20兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为10纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为6厘米(cm)，脉冲电子束的频率为4赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在15千伏(kV)。加热器的温度为800°C，沉积时间为45分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相同。实施例3先将0. 9mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为20兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为10纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为6厘米(cm)，脉冲电子束的频率为4赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在15千伏(kV)。加热器的温度为850°C，沉积时间为30分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相同。实施例4先将0. 9mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为20兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为10纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为6厘米(cm)，脉冲电子束的频率为4赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在15千伏(kV)。加热器的温度为900°C，沉积时间为45分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相同。实施例5先将0. 6mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为18兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为8. 5纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为5厘米(cm)，脉冲电子束的频率为3赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在12千伏(kV)。加热器的温度为850°C，沉积时间为38分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相似。实施例6先将0. 7mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为18兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为9纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中，先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为5厘米(cm)，脉冲电子束的频率为4赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在14千伏(kV)。加热器的温度为900°C，沉积时间为45分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相似。实施例7先将1. Imol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉⑶用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为22兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为11纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为7厘米(cm)，脉冲电子束的频率为5赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在18千伏(kV)。加热器的温度为850°C，沉积时间为40分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相似。实施例8先将1. 2mol硫化镉粉(CdS)，和0. Imol硫粉(S)用研磨混合均勻，然后用压片机 将混合物压成靶材。压片机的压力设为23兆帕(MP)。同时，将硅(Si)衬底表面用磁控溅 射法镀一层厚度约为12纳米的金(Au)薄膜。最后靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台 位置，同时用导电银胶将镀金的Si衬底粘在不锈钢加热器上。在脉冲电子束沉积过程中， 先将腔体抽真空后，通入一定量的氩气(Ar)，使得腔体内的压力为10毫托(mTorr)。靶材 与衬底的距离设定为8厘米(cm)，脉冲电子束的频率为5赫兹(Hz)，并将电子束的电压固 定在20千伏(kV)。加热器的温度为900°C，沉积时间为45分钟。产物的形貌，结构，成分 和荧光等特性均与实施例1相似。
权利要求
1.一种制备硫化镉纳米线的方法，其特征在于包括如下步骤(1)先将硫化镉粉和硫粉用研磨混合均勻，其中硫化镉粉与硫粉的摩尔比为 5-12 1 ；(2)然后用压片机将混合物压成靶材，其中压片机的压力为15兆帕以上；(3)在硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度为8-12纳米的金薄膜；(4)把靶材放置在脉冲电子束沉积系统的靶台位置，用导电银胶将镀金的硅衬底粘在 不锈钢加热器上，其中加热器的温度为750-900°C ；(5)在脉冲电子束沉积过程中，先将腔体抽真空，通入氩气，使得腔体内的压力为10毫 托；其中，靶材与硅衬底的距离设定为4-8厘米，脉冲电子束的频率为3-5赫兹，并将电子束 的电压固定在10-20千伏；沉积时间为20-60分钟；(6)将脉冲电子束沉积系统冷却至室温后将硅衬底取出，硅衬底表面的沉积物为硫化 镉纳米线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤(1)的硫化镉粉与硫粉的 摩尔比为9 1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤⑵中压片机的压力为20 兆帕。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤(3)中在硅衬底表面用磁 控溅射法镀一层厚度为10纳米的金薄膜。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤中加热器的温度为 800 850O。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤(5)中靶材与衬底的距离 设定为6厘米，脉冲电子束的频率为4赫兹，电子束的电压为15千伏，沉积时间为30 45 分钟。
全文摘要
本发明公开了一种纳米材料的制备方法，具体是指一种硫化镉米线的制备方法。本发明是通过脉冲电子束沉积技术，先将硫化镉粉和硫粉混合均匀，然后压成靶材，再将硅(Si)衬底表面用磁控溅射法镀一层金(Au)薄膜。最后在脉冲电子束沉积过程中，先将腔体抽真空后，用脉冲电子束在一定频率、在一定电压情况下，在高温条件下进行沉积处理。最后得到Si衬底表面有一层黄色的沉积物为硫化镉纳米线。本发明的优点是工艺可控性强，易操作，成本低，制得的产物纯度高。
文档编号C23C14/06GK102071397SQ20111002191
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者唐为华, 崔灿, 李培刚, 王顺利, 雷鸣 申请人:浙江理工大学