本发明公开了一种无催化剂辅助真空热蒸发制备SnS纳米片的方法,是通过以下工艺过程实现的:将S粉和金属Sn屑按1mol∶1mol的比例配制,先后置于钼片制成的电阻加热舟中作为蒸发源,并在舟上方0.9厘米-1.1厘米处放置ITO玻璃衬底,密闭蒸发炉,当真空蒸发炉内真空度达到1.8×10
1.一种无催化剂辅助真空热蒸发制备SnS纳米片的方法,其特征在于通过以下工艺过程实现:按照1∶1的摩尔比将S粉与金属Sn屑,先后置于以钼片做的电阻加热舟中作为蒸发源,加热舟置于真空蒸发炉内,ITO衬底置于蒸发源上方
0.9厘米至1.1厘米处,当蒸发炉内真空度达到1.8×10^-2Pa~2.0×10^-2Pa,加热电流为130A时,保持15分钟,在衬底上形成的灰黑色沉积物,即为SnS纳米片。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在制备SnS纳米片的过程中无任何催化剂辅助。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所制得的产品SnS纳米片形貌均一。技术领域
本发明属于纳米结构生长领域,是一种在无催化剂辅助下用真空热蒸发法生长SnS纳米片的方法。
背景技术
SnS是一种IV-VI族半导体,其直接带隙宽为1.2~1.5eV,间接带隙宽为1.0~1.1eV,非常接近太阳能电池的最佳禁带宽度1.5eV,光学吸收系数大于10⁴cm^-1,在理论上其能量转换效率可达25%。随着经济社会的发展,能源日益成为制约人类社会发展的瓶颈问题,开发新能源,保护地球环境迫在眉梢,因此,大力发展太阳能技术,提高太阳能电池的转换效率具有举足轻重的意义。SnS是一种无污染、无毒材料,在地球上Sn和S的含量都极为丰富,符合大量制备太阳能电池的要求。制备新颖的SnS纳米结构,提高光电转换效率具有重要意义。目前,关于SnS纳米结构的制备方法有很多:气-固反应法(gas-solidxa0reaction)、电化学沉积法(electrochemicalxa0deposition)、熔盐溶剂法(moltenxa0saltxa0solventxa0method)、气相输运法(vaporxa0transportxa0method)、湿化学法(wetxa0chemicalxa0route)、化学气相沉积法(chemicalxa0vaporxa0deposition)等。气-固反应法(gas-solidxa0reaction):如2006年,Subhenduxa0K等人以锡箔为源,用水和乙醇清洗并在100°C下加热20分钟后,浸入溴化十六烷基三甲铵的水溶液,再暴露于H2S气氛中12小时后,在锡箔表面生成了灰黑色的SnS纳米线。参阅Crystalxa0Growthxa0&xa0Design第6卷2177-2181页。电化学沉积法(electrochemicalxa0deposition):如2009年,G.H.Yue等人以饱和甘汞电极作为参考电极,带有铝衬底的氧化铝模板作为工作电极,铂片作为对电极,保持溶液的温度为10°C,沉积5分钟后,用纯水对样品进行清洗,然后在自然条件下晾干,得到单晶SnS纳米线阵列。参阅Nanoscalexa0Researchxa0Letters第4卷359-363页。熔盐溶剂法(moltenxa0saltxa0solventxa0method):如2012年,Hulinxa0Zhang等人将6g的LiNO₃和KNO₃混合物置入25ml的反应釜中,再加入0.1mmolxa0SnCl₂·2H₂O,0.1mmol硫脲和5ml的水合肼,密封在200°C保持24小时,再在自然环境下冷却到室温。最后,将样品置入去离子水、乙醇中清洗,60°C晾晒2小时,得到了SnS纳米带。参阅Journalxa0ofxa0Alloysxa0andxa0Compounds第513卷1-5页。气相输运法(vaporxa0transportxa0method):如2009年,M.Devika等人在高真空的条件下蒸发高纯的SnS粉末,通过控制生长温度、高度、生长时间、沉积速率获得SnS纳米晶。得出最佳的生长条件是T~150°C,h=14cm,t~1h,RD=0.2nm/s。参阅Appliedxa0Physicsxa0Letters第95卷261907-261909页。湿化学法(wetxa0chemicalxa0route):如2011年,S.Sohila等人以SnCl₂.2H₂O和Na₂S分别为锡源和硫源,以乙二醇为溶剂,其中SnCl₂.2H₂O和Na₂S的化学计量比为1∶3。在不添加任何其它表面活性剂的条件下,在80°C时,将SnCl₂.2H₂O溶液逐滴加入到Na₂S溶液中,然后将反应后得到的颗粒用离心机分离并先后用乙二醇、酒精清洗,再在室温下晾干,得到产物为SnS纳米片。参阅Materialsxa0Letters第65卷1148-1150页。化学气相沉积法(chemicalxa0vaporxa0deposition):如2012年,G.H.Yue等人利用催化剂辅助的化学气相沉积法,以SnS、S为源,镀有金纳米颗粒的ITO玻璃为衬底,在800°C下保持15分钟,同时通入高纯的Ar和H2,合成了SnS纳米线。参阅Appliedxa0Physicsxa0A第106卷87-91页。除了以上这些方法,近距离真空热蒸发法也是一种常用的制备纳米结构的方法,并且真空热蒸发法是一种相对比较传统的方法,工艺简单、操作方便、沉积速率高、利于大面积制备产品、成本低、无环境污染,在工业生产上有很大潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无催化剂辅助的真空热蒸发生长SnS纳米片的方法。本发明是通过以下工艺过程实现的:将S粉(99.99%)与金属Sn屑(99.99%)按1mol∶1mol的配比进行称量后,将S粉和Sn屑先后放置于钼片制成的电阻加热舟中作为蒸发源(加热舟固定于真空蒸发炉内的铜电极上),在蒸发源上方0.9厘米至1.1厘米处放置ITO玻璃作为衬底,当蒸发炉内真空度达到1.8×10^-2Pa~2.0×10^-2Pa后,以3.3A/min的速率增加电流,当蒸发电流达到130A左右,保持15分钟左右(全过程中钟罩通有循环冷却水),最终在衬底上得到的灰黑色沉积物,即为SnS样品。与现有技术相比,本发明的特点在于:实验方法简单、易操作、无催化剂辅助,形貌可控性好,成本低,产量大,对环境无危害,因此适合工业大规模生产。
附图说明
图1、图5、图9分别为实施例1、2、3产品的XRD图谱,图中()表示产物SnS的衍射峰,·表示S的衍射峰。图2~4为实施例1样品不同放大倍数的扫描电子显微镜图片。图6~8为实施例2样品不同放大倍数的扫描电子显微镜图片。图10~11为实施例3样品不同放大倍数的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
实施例1采用高纯Sn屑(99.99%)和高纯S粉(99.99%)为原料,两者按1mol∶1mol配比称量后,将Sn屑放置于钼片制作的电阻加热舟中,再在其上放置S粉作为蒸发源,以ITO玻璃作为衬底置于蒸发源上方约1.0cm处,密闭蒸发腔体,当真空度达到1.8×10^-2Pa后,以3.3A/min的速率增加电流,使电流逐渐增加至130A,保持15分钟(全过程中钟罩通有循环冷却水),在衬底表面有灰黑色沉积物。如图1所示,为所得产物1的XRD图。结果显示所得产物为正交晶系的SnS,其衍射峰与PDF#79-2193卡片相符;从谱图还可以看出产物沿(112)方向择优生长。此外,还有S的衍射峰,来自于未反应的S粉。如图2、图3、图4所示,所得产物1为纳米片,纳米片厚约80纳米。实施例2采用高纯Sn屑(99.99%)和高纯S粉(99.99%)为原料,两者按1mol∶1mol配比称量后,将S粉末放置于钼片制作的电阻加热舟中,再在其上放置Sn屑作为蒸发源,以ITO玻璃作为衬底置于蒸发源上方约0.9cm处,密闭蒸发腔体,当真空度达到2.0×10^-2Pa后,以3.3A/min的速率增加电流,使电流逐渐增加至130A,保持15分钟(全过程中钟罩通有循环冷却水),在衬底表面有灰黑色沉积物。如图5所示,为所得产物2的XRD图。结果显示所得产物为正交晶系的SnS,其衍射峰与PDF#33-1375卡片相符;从谱图还可以看出产物沿(002)方向择优生长。此外,还有S的衍射峰,来自于未反应的S粉。如图6、图7、图8所示,所得产物2为纳米片,纳米片厚约几十纳米。实施例3采用高纯Sn屑(99.99%)和高纯S粉(99.99%)为原料,两者按1mol∶1mol配比称量后,将S粉末放置于钼片制作的电阻加热舟中,再在其上放置Sn屑作为蒸发源,以ITO玻璃作为衬底置于蒸发源上方约1.1cm处,密闭蒸发腔体,当真空度达到2.0×10^-2Pa,以3.3A/min的速率增加电流,使电流逐渐增加至130A,保持15分钟(全过程中钟罩通有循环冷却水),在衬底表面有灰黑色沉积物。如图9所示,为所得产物3的XRD图。结果显示所得产物为正交晶系的SnS,其衍射峰与PDF#33-1375卡片相符;从谱图还可以看出产物沿(101)方向择优生长。此外,还有S的衍射峰,来自于未反应的S粉。如图10、图11所示,所得产物3为纳米片,并相互交错连接呈“花”状结构,纳米片厚约几十纳米。