硫化铜粉体和薄膜的制备工艺及性能研究

摘要

作为一种重要的半导体材料,硫化铜由于其优异的光电性质,被广泛地应用在光催化、太阳能电池、传感器和纳米开关等领域。本论文采用清洁、高效和节能的微波水热一步合成法(Microwave-assisted hydrothermal method,MH)分别制备了CuS微/纳米晶和薄膜,研究反应原料、反应时间、反应温度、pH和原料配比等工艺因素对产物的影响;采用不同表面活性剂对产物形貌进行了控制。利用X-射线衍射仪(X-ray Diffractometer)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope)、原子力显微镜(Atomic Force Microscope)和紫外可见近红外光谱仪(Ultraviolet-visible-near Infrared Spectroscope)分别对CuS粉体和薄膜的物相,形貌和光学性能进行了表征。结果表明:
　　 (1)随着时间的延长和温度的升高,CuS粉体的结晶性逐渐提高,其形貌的发展趋势均为由花球状结构向棒状结构转变。通过研究pH对产物的影响,得出合成六方相CuS的适宜pH范围为pH≤2.5或pH≥8。在无模板剂的条件下,通过改变S/Cu物质的量比对CuS形貌达到了可控制备,当S/Cu物质的量之比从3增大到7时,产物的形貌从由片状组装成的空心球结构变为花状结构,最后到单层的六方纳米片。
　　 (2)添加表面活性剂PVP后成功制备了一系列不同形貌的CuS微晶,如一维链状、棒状、三维的单分散环状、环状自组装笼状和空心球结构,并对这些不同形貌的CuS进行光学性能测试。通过研究反应时间、PVP浓度、S/Cu比和反应溶剂对产物的影响,提出了这些特殊结构可能的形成机理。
　　 (3)添加表面活性剂CTAB得到了由纳米片组装而成的花状CuS。这些花状CuS粒径均匀,分散性好,比表面积大。通过改变CTAB的浓度,可以对花状CuS的粒径和分散性进行控制,进而得到单分散的纳米花。所得产物的紫外可见吸收光谱同块体CuS相比,吸光性能有很大提高,吸收光谱变宽,再加上其表面积大的特点,可应用于光催化领域。
　　 (4)以三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)和硫代乙酰胺(C2H5NS)为原料,以EDTA-2Na为络合剂,采用了化学浴沉积(Chemical Bath Deposition,CBD)和微波水热(Microwave-assisted hydrother malmethod,MH)两种方法在玻璃表面制备了致密均匀的CuS薄膜,并研究了MH反应时间和温度对薄膜生长的影响。结果表明随着温度升高,薄膜的结晶性逐渐提高,组成薄膜的颗粒粒径不断增大;随着反应时间的延长,薄膜的起伏度和粗糙度变大,薄膜的厚度也明显增加。同CBD法制备薄膜相比,MH反应时间大大缩短,薄膜的结晶性也明显提高。