一種納米棒狀硫化鎘的溶劑熱法合成與表征

Hajar Masoomi, 張發(fā)蔭，徐洪耀

（東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

一種納米棒狀硫化鎘的溶劑熱法合成與表征

Hajar Masoomi, 張發(fā)蔭，徐洪耀

（東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

采用溶劑熱法合成了硫化鎘納米棒，其產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能經(jīng)XRD, FE-SEM，UV 分析表征，同時(shí)探討了反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明硫和溶劑在硫化鎘納米棒生成過程中有重要的作用。在紫外可見吸收光譜中，納米結(jié)構(gòu)的硫化鎘納米棒與塊狀硫化鎘相比發(fā)生了29 nm的藍(lán)移。

硫化鎘；溶劑熱；納米棒

一維的納米結(jié)構(gòu)材料在科學(xué)與工程領(lǐng)域受到人們逐漸的重視，納米結(jié)構(gòu)由于尺寸效應(yīng)和比表面積大的特點(diǎn)，表現(xiàn)出了與塊狀材料不同的性質(zhì)。硫化鎘是一種重要的Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為2.4 eV[1]，具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能，因此廣泛應(yīng)用于太陽能電池[2], 發(fā)光二極管[3]等領(lǐng)域。

硫化鎘納米材料可通過不同的物理或者化學(xué)方法合成，例如電沉積[4]、溶劑熱[5]、水熱法[6]、化學(xué)氣相沉積法[7]。溶劑熱法是一種有效簡便的合成方法，可以通過改變不同的溫度，溶劑，表面活性劑來控制產(chǎn)物的形貌與尺寸[8]。與其它的基于溶液的合成方法相比，通過溶劑熱法能夠合成高結(jié)晶度的均一納米結(jié)構(gòu)[9,10]。

在制備硫化鎘納米棒時(shí)，通過使用不同硫的前驅(qū)體，例如硫脲，氨基硫脲，Na2S，Na2S2O3等，然而，制備的硫化鎘納米棒長徑比小，可能由于溶液中硫離子濃度高，導(dǎo)致成核的速率較快。為了提高硫化鎘納米棒的長徑比，王慶慶課題組通過使用硫粉合成硫化鎘納米線[8]。本文通過使用氯化鎘和硫粉，三乙胺為溶劑，合成了結(jié)構(gòu)均一的硫化鎘納米棒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

所用試劑均為分析純或化學(xué)純，使用前按標(biāo)準(zhǔn)方法提純。

1.2 儀器

Hitachi-S-4800型的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（HITACHI公司）。Rigaku D-max-2500型的衍射儀（CuKa入射光，λ=0.154 nm）。Lambda 35 （Perkin Elmer Precisely）型紫外可見光譜儀。

1.3 合成

1.2 mmol CdCl2和6 mmol的硫粉分別溶于20 mL 的三乙胺，在磁力攪拌下將前者溶液緩慢加入后者溶液中。10 min 后，混合溶液加入到60 mL 的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中。在密封條件下200 ℃反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫。反應(yīng)產(chǎn)物使用無水乙醇和去離子水洗滌數(shù)次來除去雜質(zhì)，最后產(chǎn)物在烘箱中60 ℃干燥6 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與形貌

圖1給出了CdS納米棒的XRD譜圖，由圖可以看出，尖銳的衍射峰顯示了產(chǎn)物具有較好的結(jié)晶且沒有副產(chǎn)物生物。硫化鎘（100）晶面的衍射峰相對(duì)于其它晶面衍射峰比較尖銳，說明CdS納米棒沿著C軸擇優(yōu)取向。（101）（100）（002）晶面的存在表明生成的硫化鎘納米棒是六邊形結(jié)構(gòu)。

圖2是硫化鎘納米棒在不同倍數(shù)下的場發(fā)射掃描電子顯微鏡。圖2清楚了顯示了大量的均一的納米棒生成，生成的硫化鎘納米棒長度和直徑大約分別2 μm和65 nm。

2.2 光學(xué)性能

圖3給出了硫化鎘納米棒在室溫下的紫外可見光譜。結(jié)果顯示硫化鎘納米棒的吸收峰在 486 nm,與塊狀的硫化鎘相比（λ=515 nm）[11]發(fā)生了29 nm的藍(lán)移，這可能是由于量子效應(yīng)引起。甚至，納米棒的尺寸均一性引起吸收光譜的邊緣尖銳化。

圖1 CdS納米棒的XRD圖譜Fig.1 The XRD spectra of CdS nanorod

圖2 CdS納米棒在不同倍率的場發(fā)射掃描電鏡Fig.2 The FE-SEM of CdS nanorod at different ratio

圖3 CdS納米棒的紫外可見吸收光譜Fig.3 The UV-vis spectra of CdS nanorod

2.3 生長機(jī)理

在溶劑熱反應(yīng)中，三乙胺作為配位劑，調(diào)控Cd2+的濃度，同時(shí)對(duì)S2-的生成有重要的作用，這些對(duì)均一硫化鎘納米顆粒的生長有重要的意義[12]。從結(jié)果也可以看出，三乙胺溶劑有利于硫化鎘納米棒沿著C軸擇優(yōu)取向生長。首先，Cd2+與三乙胺配位形成[Cd(en)2]2+二齒配體, 同時(shí)硫粉經(jīng)三乙胺還原后成S2-，二齒配體與S2-反應(yīng)生成CdS晶核。S2-的生成速率在硫化鎘納米棒的生長過程中起了重要的作用，當(dāng)使用硫粉作為硫源，S2-的生成速率較低，因此，由于晶體的非平衡生長，形成了沿著 C軸取向的CdS均勻納米棒。

3 結(jié) 論

本文通過溶劑熱法成功合成了均一的CdS納米棒，同時(shí)利用硫粉為硫源獲得了較高長徑比的六邊形納米棒。在紫外光譜中，由于尺寸效應(yīng)，納米結(jié)構(gòu)的CdS吸收與塊狀的相比發(fā)生了29 nm的藍(lán)移。

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Solvothermal Synthesis and Characterization of Nanorod-like CdS

HAJAR Masoomi, ZHANG Fa-yin, XV Hong-yao
（State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymeric Materials, College of Material Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China）

CdS nanorods were prepared by the solvothermal route. The products were characterized by X-ray powder diffraction (XRD), field emission electron microscope (FE-SEM) and ultraviolet–visible (UV–vis) absorption. The growth mechanism of the CdS nanorods was discussed. The results indicate that, the sulfur source and the solvent play significant roles in the formation of uniform nanorods. In the UV-vis, the absorption peak has a 29 nm blue shift compared with bulk CdS.

CdS; Solvothermal method; Nanorod

TQ 132.4+4

A

1671-0460（2015）08-1819-02

2015-03-12

Hajar Masoomi（1984-），女，伊朗人，碩士，主要研究硫化鎘。E-mail：masoomi1381@Yahoo.com。

徐洪耀（1964-），男，教授。E-mail：hongyaoxu@dhu.edu.cn。