Sb2S3納米線合成和表征

丁 翔， 董 芳

(1.北京有色金屬研究總院， 北京 100088； 2.中國民用航空飛行學院洛陽分院， 河南 洛陽 471000)

0 引言

1 實驗

1.1 實驗材料與反應過程

實驗原料是從市場上購買的化學純的SbCl3、Na2S晶體以及四甲基氫氧化氨溶液.使用時無須進一步提純.

稱量0.002 5 moL SbCl3倒入裝有45 mL去離子水的容器中，攪拌15 min后，加入15 mL的四甲基氫氧化氨溶液，繼續(xù)攪拌15 min，然后加入0.003 75 moL Na2S, 攪拌10 min后把混合溶液倒入80 mL的套有聚四氟乙烯的不銹鋼反應釜中，經(jīng)170±10 ℃密閉加熱48 h后，得到黑色懸浮液，多次離心用去離子水沖洗后，最后在空氣中晾干，得到黑色Sb2S3納米線.

1.2 測試和表征方法

電鏡制樣過程為：取少量樣品倒入適量酒精，在超聲波處理下分散，然后滴在覆蓋有碳膜的銅網(wǎng)上晾干.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 Sb2S3納米線形貌和成分分析

圖1是兩張樣品的電鏡照片，顯示樣品外觀形貌.其中圖1(a)是一張樣品的低倍掃描電鏡照片，從圖中我們可以看到，樣品中含有大量的一維線狀物質(zhì)，這些一維線狀物質(zhì)的長度達到幾個毫米，為了進一步說明納米線的形貌，我們選取其中的一根做透射電鏡分析.圖1(b)是單根樣品的透射電鏡照片，從照片中可以看到這單根樣品的幾何寬度約為60 nm，在電鏡操作過程中，我們沿著這根樣品的軸向轉(zhuǎn)動樣品，發(fā)現(xiàn)樣品的寬度幾乎沒有什么變化，這說明樣品的軸截面是圓形，樣品實質(zhì)上是納米線，60 nm實際上是它的直徑，我們又大量的選取其他樣品做透射電鏡實驗，發(fā)現(xiàn)他們的直徑很均勻，分布很窄，幾乎都是60 nm左右.圖1說明我們合成出了大量的直徑約為60 nm的超長納米線.

(a)樣品的掃描電鏡照片 (b)單根樣品的透射照片圖1 樣品的電鏡照片

為了確定納米線的化學組成，我們選取單根納米線做能譜成分分析實驗，如圖2所示.

圖2 單根納米線EDX能譜

圖2是單根納米線的能譜，從圖中可以看到納米線中只含有S峰和Sb峰，沒有其他元素的峰存在，說明納米線是由S和Sb兩種元素組成的.為了進一步確定其化學組成，我們進行了定量EDX分析，發(fā)現(xiàn)S和Sb兩種元素比例是61∶39 接近于 3∶2，因此納米線的化學式有可能是Sb2S3，這樣從化學成分上可以說明我們合成出來的納米線是Sb2S3納米線.

2.2 Sb2S3納米線晶體結(jié)構(gòu)分析

為了確定納米線的晶體結(jié)構(gòu)，我們對樣品分別做了粉末X-ray射線衍射實驗、高分辨像和選區(qū)電子衍射實驗，用多種途徑來確定納米線的晶體結(jié)構(gòu).

圖3 Sb2S3納米線粉末X射線衍射花樣

為了進一步確定Sb2S3納米線的晶體結(jié)構(gòu)，我們對單根納米線做了高分辨像和選區(qū)電子衍射實驗.

圖4 納米線高分辨像，插圖為相應的選區(qū)電子衍射花樣

2.3 Sb2S3納米線光吸收特性分析

能帶寬度是半導體材料的一個重要物理參數(shù)，關于Sb2S3體材料能帶寬度有不同的報道，分別有0.92 eV、1.55 eV、164 eV、和1.72 eV, 相差很大.關于Sb2S3納米材料帶隙寬度的報道很少，這里我們利用Sb2S3納米線光吸收特性估算他的能帶寬度.

圖5 Sb2S3納米線紫外-可見光吸收光譜

納米線的紫外-可見光吸收光譜用來說明納米線的能帶信息，圖5是Sb2S3納米線的紫外-可見光吸收光譜，因為前面的系列實驗包括EDX成分分析實驗、X射線衍射實驗、高分辨像和選區(qū)電子衍射實驗，從成分和結(jié)構(gòu)上說明我們的納米線樣品是很純粹的、單一的Sb2S3正交相，因此我們基本上可以排除雜質(zhì)干擾，認為這張實驗光譜能夠真實的反應納米線的光吸收特性.從上圖我們可以看到，納米線的最強吸收峰值在波長約為800 nm 的光波處，根據(jù)下面經(jīng)驗公式：

這里hv是相應的光子能量，α是吸收系數(shù)，Eg是帶隙寬度，從這個公式中我們可以推算出Eg≈1.5 eV.

3 結(jié)束語

通過SbCl3與Na2S在四甲基氫氧化氨水溶液中水熱反應制備出了大量直徑約為60 nm,長度可達到幾個毫米單晶Sb2S3納米線，納米線是沿著[001]方向生長的.

納米線紫外-可見光吸收實驗顯示，納米線主吸收峰在波長為800 nm的波段，可以推算出Sb2S3納米線帶隙寬度Eg≈1.5 eV.

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