CdSe/CdS核/殼納米線的制備及光學性質研究

摘要：CdSe、CdS是重要的II-VI族納米半導體化合物，具有較大的禁帶寬度和激子束縛能，以寬帶隙半導體CdS為殼層包覆窄帶隙半導體CdSe核層，使表面缺陷減少，從而提高核層的熒光量子產率。文章對CdSe/CdS核/殼納米線進行了制備，并探尋了CdSe/CdS核/殼納米線的光學性質，為納米材料在光學、光子學方面的應用奠定了基礎。

關鍵詞：CdSe；CdS；納米線；半導體；核殼結構；光致發光 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN304 文章編號：1009-2374（2015）23-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.008

Ⅱ-VI化合物半導體是直接帶隙寬禁帶半導體，具有非常好的電子和光學性質，在光電器件方面有著廣泛的應用價值，吸引了許多研究者的興趣。CdSe、CdS是重要的Ⅱ-VI族納米半導體化合物，具有獨特的物理化學性質，有著優良的光學、電學、熱學等性能，在光吸收、光致發光、光電轉換、非線性光學、光催化傳感器等方面有著廣闊的應用前景。以寬帶隙半導體CdS為殼層包覆窄帶隙半導體CdSe核層，兩種不同帶隙的化合物具有相近的晶體結構，使殼層在核層表面的定向生長成為可能，并使表面缺陷減少，從而提高核層的熒光量子產率，增強光穩定性。本文將物理和化學等實驗方法結合，對CdSe/CdS核/殼納米線進行制備，目的是尋找更加簡單易操作的制備方法，探尋CdSe/CdS核/殼納米線的光學性質，為納米材料在光學、光子學方面的應用奠定基礎。

1 CdSe/CdS核/殼納米線的制備方法

CdSe/CdS核/殼納米線是在溫度可控的高溫管式爐中采用兩次升溫化學氣相沉積（CVD）的方法獲得的。所采用的實驗裝置如圖1所示，主要包括以下五個部分：（1）水平管式加熱爐；（2）石英管；（3）移樣棒；（4）氣體供應裝置；（5）尾氣處理裝置。

制備過程主要包括以下步驟：

第一，切割好硅片（7mm×5mm）分別用丙酮、去離子水和無水乙醇在超聲波清洗器中清洗10分鐘；第二，用氮氣將清洗好的硅片吹干；第三，放入小型離子濺射儀中鍍金，得到約20nm厚金層的硅片作為收集樣品的襯底。

第一，以CdSe、CdS粉末分別作為核層和殼層蒸發源，放入不同瓷舟中；第二，將裝有CdSe粉末的瓷舟放入石英管中，并置于管式爐的中心溫區。在石英管的上游，裝有CdS粉末的瓷舟置于管式爐之外。在石英管的下游，放3～5片鍍金的硅片，如圖1所示；第三，通入氬氫混合氣，1小時后將管式爐升溫加熱至950℃，氣流量為20sccm，恒溫2小時生長成核層的CdSe納米線后，使用一根帶勾的鐵棒將裝有CdSe粉末和CdS粉末的瓷舟位置進行交換，再將管式爐的溫度降至750℃，蒸發CdS粉末，使CdS蒸汽緩慢的沉積在已生長的CdSe納米線表面形成CdS殼層，恒溫1小時后在氬氫混合氣的氣氛中冷卻到室溫，在硅襯底表面沉積有一層棕黃色物質。

2 CdSe/CdS核/殼納米線的光學性質

在室溫下用顯微共聚焦熒光系統對CdSe/CdSe核/殼納米線異質結構的發光性質進行了研究，采用波長為405nm的半導體激光作為激發源。圖2給出的是單根CdSe/CdS核/殼納米線的PL光譜圖，在圖中可以看到兩個分立的強度很強的發光峰，短波段位于515nm處，為綠色發光峰，長波段位于709.5nm處，為紅色發光峰。綠色發光峰為CdS的帶-帶發射峰，對應的帶隙與CdS的能帶寬度（Eg=2.4eV）一致，而紅色發光峰為CdSe的帶-帶發射峰，對應的帶隙（大約1.75eV）與CdSe塊材的能帶寬度（1.7eV）相比增大了0.05eV，原因可能是由量子限域效應引起的發光峰藍移。此PL光譜圖說明我們制備所得的樣品為CdSe/CdS核/殼結構的納米線。

圖3是單根CdSe納米線和CdSe/CdS核/殼納米線的PL譜對比圖，插圖（a）和（b）是對應的暗場發光圖，可以看到單純的CdSe納米線被光激發后產生較弱的紅色發光，發光強度值約為1243。CdSe納米線的表面存在一定的Se空位，容易捕獲光激發后產生的電子，使能量以表面態或非輻射的方式被消耗掉，而導致其發光效率很低。當CdSe納米線包覆一層寬帶隙的CdS后，我們可以看到，同等強度的激光激發下，單根核殼樣品的發光亮度明顯增加，如插圖（b），對應長波段發光峰的強度增加了近11倍，發光強度值約為13756。這主要是由于：一方面，CdSe表面被鈍化后，減少了光生載流子的非輻射弛豫通道；另一方面，殼層的CdS被激發后產生的能量轉移到核的CdSe線上，而使其發光效率得到較大的提高。這種通過對窄帶隙半導體納米線包覆寬帶隙半導體來實現發光增強的結構可能會在未來光子學器件中發揮重要作用。

3 結語

我們采用二次升溫化學氣相沉積方法，首次一步合成出一維CdSe/CdS核殼納米線異質結構。采用熒光顯微共聚焦系統對單根CdSe/CdS核殼納米線進行了光學性質的研究，與純CdSe納米線的熒光光譜相比，CdSe納米線在包覆CdS殼層結構后，具有明顯的熒光增強效應，增強倍數可以達到11倍。這是因為CdS包覆層對激光產生了明顯的光學限域效應，并且殼層被激發的能量也可轉移到核層，提高CdSe納米線的發光效率。該類一維半導體核殼納米線結構在太陽能電池、發光二極管和低閾值激光器等領域具有重要的應用價值。

參考文獻

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作者簡介：趙輝，女，河北邯鄲人，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心審查員，研究方向：半導體領域專利審查。

（責任編輯：周 瓊）