Sb掺杂CuS和CuSb共掺杂PbS分级结构制备及机理研究

摘要

硫化铜(CuS)是一种典型的p型半导体材料，由于其低成本、高光热转化率的特性，在热电、锂电及光催化等领域有着广泛的应用。目前，关于二元CuS化合物的研究，从合成特殊微纳米结构到光电、光热治疗等应用，均已日趋成熟，然而在CuS基的三元和四元化合物研究方向上，由于难于获得纯相等困难，报道还不多。
　　众所周知，纳米晶结构决定性质，而性质决定其应用。通常情况，微观的晶体结构对晶体的宏观形貌具有决定性作用，而晶体的微纳结构又最终影响其性质。因此控制合成纳米晶特殊的微纳结构和形貌成为提高材料性能的关键因素。本论文采用条件简单、温和，快速的一步溶剂热法合成多元硫化铜半导体纳米材料，向CuS晶格基体掺杂不同种类、不同浓度的金属离子（单掺杂Sb、Pb或共掺杂），成功合成了Cu3SbS4三元纳米晶及Cu-Pb-Sb-S四元纳米晶。为更好的理解和控制其结构，在分子水平和纳米尺度上研究其生长机理过程，提出其化学反应路线和形貌演化机制，即CuS转变为Cu3SbS4与Cu-Pb-Sb-S四元化合物两个阶段的原位化学转化形成机理。具体研究内容如下所述：
　　(1)从二元的CuS材料合成开始，系统研究了三元Cu-Sb-S纳米材料合成的影响因素，表征结果说明所制备的Cu3SbS4三元纳米材料具有相当高的产量和重现性。XRD，SEM结果表明，获得的Cu3SbS4为一种厚度在25nm-30nm的纳米片构筑而成的1.5μm-2μm微米级花球状结构，通过吸收光谱测定产物的光学带隙为0.47eV；时间依赖实验揭示，通过一步溶液法，原位产生的由纳米片构筑的具有分级结构的CuS花球状结构的中间产物作为自牺牲模板，通过后续离子交换反应生成Cu3SbS4多元化合物，Sb离子扩散进入CuS晶格中，取代部分Cu离子，完全参与反应，在制备结束阶段无残留，可获得高纯度的产物，此外，发现样品中含有氯元素，且Cl元素含量对于导电类型具有影响。
　　(2)在制备Cu3SbS4三元纳米材料基础上，向反应体系中引入Pb元素，分别探讨了温度、溶剂、反应时间等因素对产物形貌和结构的影响。利用一系列检测分析技术，包括X射线衍射(XRD)，紫外-可见光谱(UV-vis)，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)，能量分散X射线衍射(EDX)。Cu-Pb-Sb-S四元化合物则是一种长度约为5μm，高度为80nm，厚度为20nm的一种破碎的、镂空的船状结构，非常有趣的是物相分析表明样品是PbS为主体，Cu和Sb元素作为掺杂元素，能谱面扫结果与XRD结果相符。此外，分别对Cu，Sb，Pb三种元素在化学反应体系中的作用进行了研究，得出结论为三种元素存在协同作用，控制适当摩尔比，具体为Pb:Sb:Cu=12:1:14，才能够合成镂空船状的目标四元产物。该路线为可控合成其它金属元素掺杂CuS基多元纳米晶提供了新视角和新思路，为光电性质的研究，器件应用做好物性准备，这些产物可能在光电器件中具有应用潜力。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 CuS基纳米材料的研究现状

1.3 CuS基晶体结构及相图

1.4 多元硫化铜基纳米晶反应路线研究现状

1.5 化学理论基础

1.6 经典成核理论

1.7 氯元素（Cl）掺杂硫属化合物

1.8 本课题的研究内容及意义

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料及仪器设备

2.2 水热/溶剂热方法

2.3 材料表征与性能测试

第3章 Cu-Sb-S三元具有分级结构的纳米片组装体的制备及其机理研究

3.1 引言

3.2 Cu3SbS4样品的溶剂热制备

3.3 Cu-Sb-S三元纳米晶的溶剂热实验参数研究

3.4 生长机理探究

3.5 Cu3SbS4三元纳米晶电学性能测试

3.6 Cu3SbS4三元纳米晶光学性质的研究

3.7 本章小结

第4章 Cu-Pb-Sb-S四元纳米晶的制备及其机理研究

4.1 引言

4.2 CuS掺Pb，Sb四元纳米晶的制备

4.3 Cu-Pb-Sb-S三元纳米晶的溶剂热实验参数研究

4.4 反应机理

4.5 电学性能的测试

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

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