CdO/CdS和ZnO/CdS复合半导体薄膜的制备及其光电化学性能研究

摘要

微/纳结构半导体薄膜材料，因其独特的性质广泛应用于光电化学、光催化剂、气体传感器、医学等领域。其中硫化镉(CdS)半导体材料因具有窄直接带隙结构(2.4eV)且能有效地吸收可见光的能量，而作为各种宽带隙半导体材料的光敏化剂用于光电化学池。本文研究了CdO/CdS和ZnO/CdS两种微/纳结构半导体薄膜光电材料的制备及其光电化学性能。主要内容如下: 1.在不使用任何模板的情况下，采用电沉积法在导电玻璃(FTO)上得到不规则的金属Cd微米岛阵列，在空气氛围中热处理氧化后制得CdO微米岛阵列，经连续离子层吸附反应(SILAR)法在其表面修饰上CdS纳米粒子制得不规则的CdO/CdS微米岛阵列(MIA-CdO/CdS)薄膜。研究了该复合薄膜的结构、组成、光学性质及光电化学性能。优化条件下所制备的MIA-CdO/CdS光阳极具有高表面积能有效吸收可见光产生电子和空穴对;密集快捷的电子传输途径，以加快电荷的分离与传导;丰富的液体通道，可强化溶液与CdS表面间的传质过程。在光源强度为100mW cm-2可见光照射下，测得其作为光阳极在0.1mol dm-3Na2SO3+0.1mol dm-3Na2S混合溶液中-0.97V下的饱和光电流密度值高达6.80mA cm-2，高于此类复合半导体薄膜的文献报道值，此时其光电转化效率为7.0％。 2.先用简单的化学合成法以PVP作为保护剂制得Cd(OH)2溶胶液，滴涂在洁净的FTO上，在空气氛围中热处理得到纳米多孔CdO薄膜，再以SILAR法在其表面修饰上CdS纳米粒子制得纳米多孔CdO/CdS复合薄膜。研究了该复合薄膜的结构、组成、光学性质及光电化学性能。在光源强度为100mW cm-2可见光照射下，测得优化条件下所制备的复合薄膜作为光阳极在0.1mol dm-3Na2SO3+0.1mol dm-3Na2S混合溶液中-0.98V下的饱和光电流密度为5.72mA cm-2，高于大部分此类复合半导体薄膜的文献报道值，此时其光电转化效率为5.8％。虽然用此方法制备CdO薄膜比上章中采用的电沉积法更方便简洁，但是所制备的复合薄膜的光电化学性能略差。从而说明具有岛状结构的MIA-CdO/CdS光阳极更有利于提高复合薄膜的光电化学性能。 3.采用一种简便、快速无需模板的气/液界面组装法得到分级纳米多孔ZnO薄膜，再经SILAR法在ZnO薄膜表面修饰上CdS纳米粒子制得分级纳米多孔ZnO/CdS裂纹复合薄膜。研究了该复合薄膜的结构、组成、光学性质及光电化学性能。最优条件下制得的ZnO/CdS复合薄膜对可见光的吸收增强，且具有的分级多孔及裂纹结构有利于光生电子的转移及溶液与CdS表面间的传质过程。在光源强度为100mW cm-2可见光照射下，其作为光阳极在0.5mol dm-3Na2S溶液中测得在-0.88V下的饱和光电流密度值达到7.84mA cm-2，高于大部分此类复合半导体薄膜的文献报道值;此时其光电转化效率为6.6％。

目录

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2半导体材料

1．2．1半导体材料简介

1．2．2半导体材料种类

1．2．3半导体能带结构与带隙

1．2．4复合半导体能带结构

1．3纳米半导体材料

1．3．1纳米半导体材料概述

1．3．2纳米半导体材料的特性

1．4半导体材料光电化学分解水原理

1．5半导体量子点

1．5．1半导体量子点概述

1．5．2半导体量子点优势

1．5．3半导体量子点的选择

1．5．4半导体量子点的组装

1．6本文构思与主要工作

第二章不规则CdO／CdS微米岛阵列的制备及其光电化学性能

2．1引言

2．2实验部分

2．2．2不规则CdO／CdS微米岛阵列的制备

2．2．3表征

2．2．4光电化学性能测试

2．3结果与讨论

2．3．1 FTO在CdCl2和NaCl混合溶液中的电化学行为

2．3．2样品形貌与组成

2．3．3光学性质

2．3．4 CdO和CdS的能带位置

2．3．5光电化学性能

2．4本章小结

第三章CdO／CdS复合半导体薄膜的制备及其光电化学性能

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1试剂与溶液配制

3．2．4光电化学性能测试

3．3结果与讨论

3．3．1样品形貌与组成

3．3．2光学性质

3．3．3光电化学·性能

3．4本章小结

第四章分级纳米多孔 ZnO／CdS裂纹复合半导体薄膜的制备及其光电化学性能

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1试剂与溶液配制

4．2．3表征

4．2．4光电化学性能测试

4．3结果与分析

4．3．1样品形貌与组成

4．3．2光学性质

4．3．3 ZnO和CdS的能带位置

4．3．4光电化学性能

4．4本章小结

结语

参考文献

攻读学位期间发表的文章

致谢

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