張保花　楊蓮紅　葉　超

（昌吉學(xué)院物理系　新疆　昌吉　831100）

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水熱法合成枝蔓狀CdS納米晶

張?；钌徏t葉超

（昌吉學(xué)院物理系新疆昌吉831100）

摘要：采用傳統(tǒng)的水熱法，以氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）和硫脲（H2NCSH2N）為前驅(qū)物，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件合成了枝蔓狀CdS納米晶。采用X-射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）表征了產(chǎn)物的物相和形貌。結(jié)果表明：合成的產(chǎn)物均為六方相CdS結(jié)構(gòu)，并且產(chǎn)物的形貌隨前驅(qū)物濃度、反應(yīng)時間的改變而改變，在反應(yīng)時間較長的情況下產(chǎn)物均為枝蔓狀。

關(guān)鍵詞：水熱法；CdS；枝蔓

0引言

隨著光電子器件及太陽能薄膜電池的不斷發(fā)展，Ⅱ—Ⅳ族化合物CdS越來越受到關(guān)注，其主要原因是它具有與太陽光相比配的能帶（2.42eV），可作為太陽能電池的窗口材料。

并且，采用新興的納米技術(shù)將CdS納米化以后，能賦予這種功能材料既有別于體相材料又不同于單個分子的特殊性質(zhì)，從而使CdS納米晶在光、電、磁、催化等方面有巨大的應(yīng)用潛能（如，發(fā)光二極管、太陽能電池、傳感器、光催化等領(lǐng)域），因而引起了人們的高度重視［1-6］。同時，CdS納米材料在光敏電阻、薄膜晶體管及鈣鈦礦太陽能等器件中也受到廣泛應(yīng)用。

近年來，研究者采用了水熱法在不同條件下制備出不同形貌及結(jié)構(gòu)的CdS納米材料［7］，如球狀、六方片狀、棒狀、花狀等，但是枝蔓狀CdS納米晶報道的并不多見，因為這種復(fù)雜形貌一般需要修飾劑或配位劑輔助合成［8］。本文結(jié)合小組前期工作，采用水熱法以氯化鎘（CdCl·2.5H2O）作為鎘源、硫脲（H2NCS H2N）作為硫源，借助硫脲的配位性能合成了枝蔓狀CdS納米晶；摸索了反應(yīng)條件（前驅(qū)物摩爾比、反應(yīng)時間）對產(chǎn)物相及形貌的影響，為后期合成形貌可控的CdS納米晶提供一定的理論指導(dǎo)。

1　實驗

實驗所用試劑氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）、硫脲（H2NCSH2N）、無水乙醇（CH3CH2OH）均為分析純（A.R）試劑，實驗用水為去離子水。首先稱取一定量的氯化鎘和硫脲置于容量為50ml的內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，加入一定量的去離子水至反應(yīng)釜容量的80%，磁力攪拌10min后使前驅(qū)物充分溶解。將反應(yīng)釜密封后放入恒溫干燥箱內(nèi)在一定溫度下反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜并自然冷卻至室溫。將合成的產(chǎn)物分別用去離子水、無水乙醇反復(fù)抽濾清洗，最終得到黃色固體產(chǎn)物，在60℃下干燥4h后制得樣品。

利用日本Mac Science 18kw轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀上收集產(chǎn)物的XRD圖譜（石墨單色器，CuKα輻射，40KV，200mA，步進(jìn)掃描速率0.02°/s）；利用Philips XL-30掃描電子顯微鏡（SEM）觀察產(chǎn)物的表面形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1產(chǎn)物的XRD表征分析

圖1　以水為溶劑，前驅(qū)物摩爾比為1：1時在180℃下反應(yīng)10h產(chǎn)物的XRD圖譜

圖1是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時在180℃下反應(yīng)10h后合成產(chǎn)物的XRD圖譜。從圖譜上可以清晰地看出產(chǎn)物各晶面衍射峰所處的位置分別在2θ=24.86°、26.46°、28.26°、36.76°、43.78°、47.82°和51.82°，分別對應(yīng)著（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）和（112）衍射晶面，與六方相結(jié)構(gòu)CdS的ICDD PDF No.41—1049相一致，并且在圖譜中沒有觀察到CdO、Cd等的雜質(zhì)峰，說明合成產(chǎn)物的純度較高。同時觀察到（002）晶面衍射峰的強度相對于（100）和（101）晶面衍射峰較強，說明產(chǎn)物具有一定的擇優(yōu)生長［9-10］，并且在其他條件下合成產(chǎn)物的XRD圖譜均與圖1圖譜相一致。

2.2產(chǎn)物的SEM表征分析

圖2　以水為溶劑，在180℃下反應(yīng)12h，前驅(qū)物摩爾比為1∶0.4（a）、1∶0.6（b）、1∶0.8（c）、1∶1 （d）、1∶1.2（e）、1∶1.4（f），合成產(chǎn)物的SEM圖像

圖2是以水為溶劑，在180℃下反應(yīng)12h后合成產(chǎn)物的SEM圖像，氯化鎘和硫脲摩爾比分別為：1：0.4（a）、1：0.6（b）、1：0.8（c）、1：1（d）、1：1.2（e）和1：1.4（f）。從圖2（a）中可以看出，產(chǎn)物為枝蔓結(jié)構(gòu)，并且每個枝蔓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物長度不均一，枝蔓結(jié)構(gòu)（一級枝蔓）沿著莖邊緣生長出梳狀小枝（二級枝蔓），長度也不均一，并且小枝之間存在粘連；隨著硫脲量的不斷增加（圖2（b、c）），一級枝蔓分開為較多個二級枝蔓，一級枝蔓沿單一方向生長，二級枝蔓生長不均一，二級枝蔓明顯變細(xì)，梳狀間隙顯現(xiàn)；前驅(qū)物摩爾比不斷增加至1：1時（圖2（d）），產(chǎn)物枝蔓狀晶體分散較好，結(jié)晶更加完善，6個一級枝蔓間存在連接點，呈雪花結(jié)構(gòu)，每兩個一級枝蔓間夾角約為60°，二級枝蔓間隙增大；隨著硫脲量增至1.2以上（圖2（e、f），雪花狀結(jié)構(gòu)在結(jié)點處斷裂，分解為長度均一的一級枝蔓結(jié)構(gòu)，平均長度約為5—7μm。從以上分析可知：采用不同摩爾比的前驅(qū)物合成產(chǎn)物在形貌上差別不明顯，均能合成枝蔓狀的CdS納米晶，在前驅(qū)物摩爾比為1：1時枝蔓結(jié)構(gòu)的形貌均一性較好。所以，在后期實驗過程中選擇前驅(qū)物配比為1：1。

圖3　以水為溶劑，前驅(qū)物摩爾比為1∶1時在180℃下反應(yīng)6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h（d）下產(chǎn)物的SEM圖像

圖3是以水為溶劑，氯化鎘和硫脲摩爾比為1：1時在180℃下反應(yīng)6h（a）、8h（b）、10h（c）和12h （d）下產(chǎn)物的SEM圖像。從圖3（a）中可以看出，產(chǎn)物的形貌為顆粒狀，粒徑約為100nm—200nm，顆粒之間出現(xiàn)明顯粘連，存在大量的團(tuán)聚，呈島狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)反應(yīng)時間延長到8h（圖3（b）），團(tuán)聚的CdS顆粒存在沿一維生長的趨勢，部分產(chǎn)物的形貌初顯枝蔓狀，長度約為2μm—5μm，生長不均一，同時仍存在大量的顆粒團(tuán)聚；當(dāng)反應(yīng)時間繼續(xù)延長到10h時（圖3（c）），產(chǎn)物均為枝蔓結(jié)構(gòu)，一級枝蔓長度約為3μm—5μm，二級枝蔓長度約為0.2μm—0.7μm，并且部分一級枝蔓間存在結(jié)合點；進(jìn)一步延長反應(yīng)時間到12h（圖3（d）），6個一級枝蔓（平均長度約為4μm—5μm）結(jié)合成一個雪花狀晶體，并且二級枝蔓結(jié)構(gòu)生長的較為分離呈梳狀（長度不均一），間隙明顯增大，與圖2（d）圖像相一致。從以上分析可知，隨著反應(yīng)時間的延長，晶體生長更加完善，團(tuán)聚明顯變少，枝蔓結(jié)構(gòu)更加分散，二級枝蔓結(jié)構(gòu)間隙明顯增大?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：延長反應(yīng)時間有助于CdS枝蔓結(jié)構(gòu)的結(jié)晶生長。

3　結(jié)論

本文以CdCl2·2.5H2O和硫脲（H2NCSH2N）為反應(yīng)前驅(qū)物，采用傳統(tǒng)的水熱法在不同的前驅(qū)物配比下180℃反應(yīng)一段時間合成了枝蔓結(jié)構(gòu)的CdS納米晶。研究表明：在不同的硫脲濃度下，均能合成結(jié)晶良好的枝蔓結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，隨著硫脲量的增加，產(chǎn)物的枝蔓結(jié)構(gòu)結(jié)晶更加良好，枝蔓結(jié)構(gòu)更加均一；隨著反應(yīng)時間的延長，由大量的團(tuán)聚的CdS納米顆粒生長為枝蔓結(jié)構(gòu)的CdS晶體，可見延長反應(yīng)時間有助于CdS枝蔓結(jié)構(gòu)的結(jié)晶生長。

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中圖分類號：O731

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-6469（2016）03-0100-03

收稿日期：2016-03-20

基金項目：新疆大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“硫酸化合物薄膜太陽能電池材料的制備及性能研究”（201510997012）；昌吉學(xué)院院級項目“硫?qū)倩衔锞A生長控制研究（2014YJYB006）；昌吉學(xué)院博士啟動基金項目“薄膜太陽能電池功能層材料的制備及光電性能研究”（2015BSQD001）。

第一作者簡介：張?；ǎ?981-），女，河南南陽人，昌吉學(xué)院物理系副教授，研究方向：納米材料的合成與表征分析。