硫化鎘納米材料應(yīng)用及其固相合成方法研究

王路瑤

摘要 硫化鎘是硫?qū)侔雽?dǎo)體化合物中的一種直接帶隙的光電半導(dǎo)體材料，因其較寬的禁帶范圍以及特殊的結(jié)構(gòu)等特性，使得其在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化等方面有著廣泛的應(yīng)用，并占據(jù)非常重要的地位。本文重點(diǎn)研究硫化鎘納米材料應(yīng)用及其固相合成方法。

關(guān)鍵詞 硫化鎘；固相合成；納米材料

中圖分類號(hào) TQ13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）12—0014—02

納米材料有介電效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等多種特質(zhì)，那么，將硫化鎘納米化則可以賦予這種材料不同的性質(zhì)。納米CdS在傳感器、紅外窗口材料、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管等領(lǐng)域有很大的發(fā)展應(yīng)用前景，另外，它具有的二階非線性光學(xué)特性，現(xiàn)今的通信體系和發(fā)射和儲(chǔ)備光信號(hào)的中心問(wèn)題就是這一光學(xué)特性現(xiàn)象，因此人們高度重視硫化鎘納米材料的制備與合成。目前，CdS納米的制備大體上可分為固相合成法、液相合成法、氣相合成法3種，而氣相合成法條件要求較高，用此法合成納米CdS并不常見(jiàn)，固相與液相合成則較為普遍，且分屬于這2類的方法也較多。

1硫化鎘納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

納米硫化鎘有很多特性，且有非常特別的光電性質(zhì)，它在諸多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，如物理、材料、化學(xué)等學(xué)科。目前，它在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化、傳感器、金屬測(cè)定、生物檢測(cè)等方面的應(yīng)用較為常見(jiàn)，并且其二階非線性光學(xué)特性已被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也越來(lái)越得到人們的重視。多晶薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率高、原理簡(jiǎn)單，適合廣泛應(yīng)用，敖建平等在醋酸鎘體系中沉積硫化鎘半導(dǎo)體薄膜，用六方晶與立方晶混合的硫化鎘作為CIGS太陽(yáng)能電池的緩沖層，有很高的電池的光電轉(zhuǎn)化效率。CdS納米材料的比表面、活性較高，使得其在可以應(yīng)用到傳感器方面。夏青等經(jīng)過(guò)合成得到了具備特殊核桃狀形貌的納米小球，增加了粒子的比表面積，非常有利于構(gòu)造硫化鎘基因型傳感器，且其靈敏度高，穩(wěn)定性好。納米硫化鎘材料易于吸收可見(jiàn)光，而且效果好，并能利用可見(jiàn)光，為光催化創(chuàng)造了良好的條件，因此又有在降解污染物方面得到了重視。功能性硫化鎘納米粒子的發(fā)射光譜效果好，不但窄而且對(duì)稱性好；熒光量子的產(chǎn)出量較高；斯托克斯位移大；穩(wěn)定性好，適合做熒光探針的原材料，也許會(huì)很大程度上提高分析靈敏度和選擇性。硫化鎘量子點(diǎn)在金屬離子、核酸等檢測(cè)方面都有應(yīng)用。另外，新的研究對(duì)非線性光學(xué)極為重視，有人合成了含硫化鎘的的非線性復(fù)合光學(xué)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)其非線性光學(xué)特質(zhì)在一般溫度下的穩(wěn)定性非常好，因而，在通訊和開(kāi)關(guān)的光學(xué)技術(shù)方面以及提高成像效果、信息處理上的應(yīng)用都成為可能。

但是，有研究發(fā)現(xiàn)納米狀態(tài)的cd²⁺對(duì)細(xì)胞具有毒性，因此對(duì)于毒性機(jī)制的研究則有待加強(qiáng)，前人已有相關(guān)研究，但并未完全解決這一問(wèn)題。張靜姝等對(duì)硫化鎘納米材料在大鼠肺臟、肝臟、腎臟、睪丸中cd²⁺蓄積情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在肝臟中有蓄積并推測(cè)納米硫化鎘材料對(duì)肝臟可能產(chǎn)生毒性，后又進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)納米硫化鎘對(duì)人體胚肝細(xì)胞（L-02）具有損傷作用。

綜上所述，納米硫化鎘材料的應(yīng)用具有非?？捎^的價(jià)值，雖然也有些問(wèn)題存在，但不能否定其巨大的應(yīng)用價(jià)值，因此，對(duì)納米鎘材料需進(jìn)一步深入，為各個(gè)領(lǐng)域提供有力的支持。

2固相合成納米硫化鎘

2.1機(jī)械粉碎法

機(jī)械粉碎法顧名思義就是通過(guò)機(jī)械的方式將固體物質(zhì)進(jìn)行粉碎細(xì)化，對(duì)于硫化鎘納米材料，用此法得到的納米顆粒其粒子直徑很難達(dá)到低于10hm的要求，同時(shí)很難把握粒子狀態(tài)，且粉碎過(guò)程當(dāng)中會(huì)有雜質(zhì)混入的可能，將其應(yīng)用到生產(chǎn)中則難以滿足相應(yīng)要求。

2.2固相反應(yīng)法

固相化學(xué)反應(yīng)法較之其他方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)潔、容易控制反應(yīng)條件、不需要溶劑、顆粒均勻、具有較好穩(wěn)定性且產(chǎn)率高?；谝陨咸攸c(diǎn)，對(duì)此方法的研究較為普遍，同時(shí)目前多為室溫固相合成法及低溫合成法的研究。該法是將硫化物、鎘鹽直接研磨并相混，在物理作用下形成化學(xué)效應(yīng)合成納米粒子的方法。

我國(guó)早期用固相法和成的納米硫化鎘顆粒較大，楊瑞林等以氫氧化鎘和臭堿為原料，甲苯為分散劑，在室溫下研磨、清洗、制干后得到粒徑為60hm上下的硫化鎘粉狀材料。隨著研究的不斷深入，近些年的研究也取得了良好的成效。唐文華等以TAA與CdCl₂，為質(zhì)料，用低溫固相反應(yīng)法獲得了納米硫化鎘的結(jié)構(gòu)為立方晶體，顆粒直徑約為15nm～25nm，同時(shí)與室溫固相法和均勻沉淀法進(jìn)行了比較，其產(chǎn)物的粒徑分布比室溫固相法均勻，而形貌尺寸明顯大于均勻沉淀法。婁向東等將氯化鎘和臭堿等比例混合于瑪瑙研缽中，研磨后，獲得糊狀體，干燥后得粉末樣品，將其分別在400℃和600℃下燒結(jié)，再對(duì)獲得的粉狀物質(zhì)進(jìn)行表征，所得XRD圖譜無(wú)雜質(zhì)峰，與標(biāo)準(zhǔn)樣品保持一致，且衍射峰是非常尖銳的，說(shuō)明硫化鎘在此溫度能達(dá)到很好的結(jié)晶效果，并都呈六方形晶體狀；TEM結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒徑隨燒結(jié)溫度的變化而變化。曹沽明等用微波輔助常溫固相反應(yīng)與表面活性劑共同使用的方式合成硫化鎘納米粒子，選用聚乙二醇400為表面活性劑，將產(chǎn)物分成3份各自加入PTFE容器中，選擇不同的微波加熱時(shí)間長(zhǎng)度，經(jīng)XRD、TEM、SEM表征，得到延長(zhǎng)微波加熱時(shí)間對(duì)納米粒子的晶型轉(zhuǎn)變，對(duì)粒徑的影響不大的結(jié)果。劉勁松嘗試用有機(jī)低溫熔鹽法合成硫化鎘納米材料，以尿素氯化膽堿有機(jī)熔鹽法140℃反應(yīng)溫度下合成了純凈的六方CdS納米材料，其直徑在5nm左右，但粒子較為團(tuán)聚，但方法簡(jiǎn)單實(shí)用，表明了低溫熔鹽有望用于實(shí)際生產(chǎn)中。

固相反應(yīng)合成是一種不可取代的方法，它不易產(chǎn)生聚團(tuán)現(xiàn)象并具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)固相合成法合成納米CdS更加深入的研究并應(yīng)用具有重要意義。endprint