CdSe/CdS核/壳纳米线的制备及光学性质研究

摘要：CdSe、CdS是重要的II-VI族纳米半导体化合物，具有较大的禁带宽度和激子束缚能，以宽带隙半导体CdS为壳层包覆窄带隙半导体CdSe核层，使表面缺陷减少，从而提高核层的荧光量子产率。文章对CdSe/CdS核/壳纳米线进行了制备，并探寻了CdSe/CdS核/壳纳米线的光学性质，为纳米材料在光学、光子学方面的应用奠定了基础。

关键词：CdSe；CdS；纳米线；半导体；核壳结构；光致发光 文献标识码：A

中图分类号：TN304 文章编号：1009-2374（2015）23-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.008

Ⅱ-VI化合物半导体是直接带隙宽禁带半导体，具有非常好的电子和光学性质，在光电器件方面有着广泛的应用价值，吸引了许多研究者的兴趣。CdSe、CdS是重要的Ⅱ-VI族纳米半导体化合物，具有独特的物理化学性质，有着优良的光学、电学、热学等性能，在光吸收、光致发光、光电转换、非线性光学、光催化传感器等方面有着广阔的应用前景。以宽带隙半导体CdS为壳层包覆窄带隙半导体CdSe核层，两种不同带隙的化合物具有相近的晶体结构，使壳层在核层表面的定向生长成为可能，并使表面缺陷减少，从而提高核层的荧光量子产率，增强光稳定性。本文将物理和化学等实验方法结合，对CdSe/CdS核/壳纳米线进行制备，目的是寻找更加简单易操作的制备方法，探寻CdSe/CdS核/壳纳米线的光学性质，为纳米材料在光学、光子学方面的应用奠定基础。

1 CdSe/CdS核/壳纳米线的制备方法

CdSe/CdS核/壳纳米线是在温度可控的高温管式炉中采用两次升温化学气相沉积（CVD）的方法获得的。所采用的实验装置如图1所示，主要包括以下五个部分：（1）水平管式加热炉；（2）石英管；（3）移样棒；（4）气体供应装置；（5）尾气处理装置。

制备过程主要包括以下步骤：

第一，切割好硅片（7mm×5mm）分别用丙酮、去离子水和无水乙醇在超声波清洗器中清洗10分钟；第二，用氮气将清洗好的硅片吹干；第三，放入小型离子溅射仪中镀金，得到约20nm厚金层的硅片作为收集样品的衬底。

第一，以CdSe、CdS粉末分别作为核层和壳层蒸发源，放入不同瓷舟中；第二，将装有CdSe粉末的瓷舟放入石英管中，并置于管式炉的中心温区。在石英管的上游，装有CdS粉末的瓷舟置于管式炉之外。在石英管的下游，放3～5片镀金的硅片，如图1所示；第三，通入氩氢混合气，1小时后将管式炉升温加热至950℃，气流量为20sccm，恒温2小时生长成核层的CdSe纳米线后，使用一根带勾的铁棒将装有CdSe粉末和CdS粉末的瓷舟位置进行交换，再将管式炉的温度降至750℃，蒸发CdS粉末，使CdS蒸汽缓慢的沉积在已生长的CdSe纳米线表面形成CdS壳层，恒温1小时后在氩氢混合气的气氛中冷却到室温，在硅衬底表面沉积有一层棕黄色物质。

2 CdSe/CdS核/壳纳米线的光学性质

在室温下用显微共聚焦荧光系统对CdSe/CdSe核/壳纳米线异质结构的发光性质进行了研究，采用波长为405nm的半导体激光作为激发源。图2给出的是单根CdSe/CdS核/壳纳米线的PL光谱图，在图中可以看到两个分立的强度很强的发光峰，短波段位于515nm处，为绿色发光峰，长波段位于709.5nm处，为红色发光峰。绿色发光峰为CdS的带-带发射峰，对应的带隙与CdS的能带宽度（Eg=2.4eV）一致，而红色发光峰为CdSe的带-带发射峰，对应的带隙（大约1.75eV）与CdSe块材的能带宽度（1.7eV）相比增大了0.05eV，原因可能是由量子限域效应引起的发光峰蓝移。此PL光谱图说明我们制备所得的样品为CdSe/CdS核/壳结构的纳米线。

图3是单根CdSe纳米线和CdSe/CdS核/壳纳米线的PL谱对比图，插图（a）和（b）是对应的暗场发光图，可以看到单纯的CdSe纳米线被光激发后产生较弱的红色发光，发光强度值约为1243。CdSe纳米线的表面存在一定的Se空位，容易捕获光激发后产生的电子，使能量以表面态或非辐射的方式被消耗掉，而导致其发光效率很低。当CdSe纳米线包覆一层宽带隙的CdS后，我们可以看到，同等强度的激光激发下，单根核壳样品的发光亮度明显增加，如插图（b），对应长波段发光峰的强度增加了近11倍，发光强度值约为13756。这主要是由于：一方面，CdSe表面被钝化后，减少了光生载流子的非辐射弛豫通道；另一方面，壳层的CdS被激发后产生的能量转移到核的CdSe线上，而使其发光效率得到较大的提高。这种通过对窄带隙半导体纳米线包覆宽带隙半导体来实现发光增强的结构可能会在未来光子学器件中发挥重要作用。

3 结语

我们采用二次升温化学气相沉积方法，首次一步合成出一维CdSe/CdS核壳纳米线异质结构。采用荧光显微共聚焦系统对单根CdSe/CdS核壳纳米线进行了光学性质的研究，与纯CdSe纳米线的荧光光谱相比，CdSe纳米线在包覆CdS壳层结构后，具有明显的荧光增强效应，增强倍数可以达到11倍。这是因为CdS包覆层对激光产生了明显的光学限域效应，并且壳层被激发的能量也可转移到核层，提高CdSe纳米线的发光效率。该类一维半导体核壳纳米线结构在太阳能电池、发光二极管和低阈值激光器等领域具有重要的应用价值。

参考文献

[1] Goebl J A，et al.Solution-Based II-VI Core/Shell Nanowire Heterostructures[J].Journal of the American Chemical Society，2008，130（44）.

[2] Persano A，et al.Photoconduction Properties in Aligned Assemblies of Colloidal CdSe/CdS Nanorods[J].Acs Nano，2010，4（3）.

[3] Sitt A，et al.Highly Emissive Nano Rod-in-Rod Heterostructures with Strong Linear Polarization[J].Nano Letters，2011，11（5）.

作者简介：赵辉，女，河北邯郸人，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心审查员，研究方向：半导体领域专利审查。

（责任编辑：周 琼）