一种GaP纳米线及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种GaP纳米线及其制备方法和用途。GaP纳米线的制备方法为：1)在导电基底上覆盖催化剂；2)将GaP粉末装入容器中；3)将导电基底和容器置于两端开口的石英管两侧，放到双温区管式炉中；4)对双温区管式炉抽真空，通保护气，加热，使第一温区升温至930℃‑1000℃，第二温区升温至620℃‑650℃，保温，得GaP纳米线。本发明专利技术还提供一种GaP/GaPN核壳纳米线，其制备方法为：将GaP纳米线置于两端开口的石英管中，放到反应炉中，抽真空，通入保护气，加热反应炉，升温至720℃‑800℃，停止抽真空并停止通入保护气，通入氨气，保温，得到核壳纳米线。本发明专利技术提供的纳米线作为光电极。

A GaP nanowire and its preparation methods and uses

The present invention provides a GaP nanowire and its preparation method and use. The preparation method of GaP nanowires: 1) covers the catalyst on the conductive substrate; 2) GaP powder filled in the container; 3) the conductive substrate and the container is placed in a quartz tube open at both ends on both sides, in the tube furnace double temperature zone; 4) furnace vacuum on dual zone tube pass the protection of gas, heating, heating the first temperature to 930 DEG C 1000 DEG C, heating insulation second zone temperature to 620 DEG C 650 DEG C, GaP nanowires. The invention also provides a GaP/GaPN core-shell nanowires, the preparation method is that the GaP nanowires in open at both ends of the quartz tube, put in the reaction furnace, vacuum pumping, under the protection of gas, heating furnace, heating to 720 DEG C 800 DEG C, stop vacuum and stop under the protection of gas, NH3, insulation, get core-shell nanowires. The nanowires provided by the present invention are optoelectronic poles.

【技术实现步骤摘要】
一种GaP纳米线及其制备方法和用途
本专利技术属于半导体材料与纳米
，具体涉及一种GaP纳米线及其制备方法和用途。
技术介绍
随着能源短缺问题的日益突出，新能源的研究正逐渐引起国内外研究人员的重视。利用半导体材料吸收太阳光能应用于光电化学分解水制氢是解决能源问题的方案之一。而III-V族材料由于其合适的禁带宽度和优异的载流子传输性能，一直是光电化学电极的合适选择之一。早在1998年，JohnA.Turner等人就以GaInP2作为光阴极用于光电化学分解水，实现了12.4％的产氢效率。(Amonolithicphotovoltaic-photoelectrochemicaldeviceforhydrogenproductionviawatersplitting.Science1998,280,425-427.)随着纳米科学技术的逐渐发展，将III-V族纳米材料应用于光电化学分解水制氢也成为了该领域研究的热点之一。近年来ErikP.A.M.Bakkers课题组通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)法制备了分别生长在单晶GaP和InP基底上的GaP和InP纳米线，并用其作为光阴极用于光电化学分解水制氢，分别达到了约-9mAcm-2和超过-20mAcm-2的极限光电流。(Efficientwaterreductionwithgalliumphosphidenanowires.Nat.Commun.2015,6,7824.)(PhotoelectrochemicalHydrogenProductiononInPNanowireArrayswithMolybdenumSulfideElectrocatalysts.Nano.Lett.2014,14,3715-3719.)尽管如此，由于单晶GaP和InP基底价格很高且不易获得，同时MOCVD设备昂贵且操作复杂，加之所需的前驱体源为有机金属化合物气体源，如三甲基镓(Ga(CH3)3)，三甲基铟(In(CH3)3)，膦(PH3)等，这类化合物难以制备，其价格及运输、保存成本都很高，且有剧毒，导致这一类工艺很难进行大规模的推广应用。因此，有必要开发一种操作简单且成本较低，同时能尽可能保持产品光电化学分解水性能的方法来制备III-V族纳米材料。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种GaP纳米线及其制备方法和用途。本专利技术制备的GaP纳米线尺寸均匀，结晶性良好，且制备操作方法简单，作用设备和原料成本较低。本专利技术还提供了一种由所述GaP纳米线作为原料制备的GaP/GaPN核壳纳米线及其制备方法和用途。由本专利技术提供的纳米线制备的光电极产氢性能优异，在AM1.5G光照下，GaP纳米线作为光电极其极限电流可达15mAcm-2；GaP/GaPN核壳纳米线作为光电极，其极限电流接近20mAcm-2。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种GaP纳米线，所述GaP纳米线的平均直径为50nm-100nm，例如50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100mn等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；长度为2μm-30μm，例如2μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术提供的GaP纳米线尺寸均匀，结晶度良好。本专利技术提供的GaP纳米线为闪锌矿结构，生长取向为[111]晶向。第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的GaP纳米线的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)在导电基底上覆盖催化剂，得到覆盖催化剂的导电基底；(2)将GaP粉末装入容器中，得到装有GaP粉末的容器；(3)将覆盖催化剂的导电基底和装有GaP粉末的容器置于两端开口的石英管的两侧，把所述石英管放置于双温区管式炉中，其中，所述装有GaP粉末的容器位于双温区管式炉的第一温区，所述覆盖催化剂的导电基底位于双温区管式炉的第二温区；(4)从靠近所述覆盖催化剂的导电基底的一侧对双温区管式炉抽真空，在通入保护气的条件下加热双温区管式炉，使第一温区升温至930℃-1000℃，第二温区升温至620℃-650℃，保温，得到所述GaP纳米线。步骤(4)中，第一温区升温至930℃-1000℃，例如930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。如果温度高于1000℃，会导致蒸发速率过快致使沉积速率过快，纳米线较长且易弯曲，使形貌较差；如果温度低于930℃，会导致前驱体蒸发不够完全。步骤(4)中，第二温区升温至620℃-650℃，例如620℃，625℃，630℃，635℃，640℃，645℃或650℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。如果温度高于650℃，会导致前驱体在所选位置沉积较少，得不到形貌较好的纳米线；如果温度低于620℃，会导致前驱体在所选位置沉积速率过快，纳米线较长且易弯曲，使形貌较差。本专利技术提供的制备GaP纳米线的方法属于化学气相沉积法。其中，GaP粉末在本专利技术提供的制备GaP纳米线的方法中作为前驱体，在通入惰性气体作为保护气的条件下，加热使GaP粉末气化，并在温度相对较低的覆盖催化剂的导电基底上沉积，获得生长在导电基底上的GaP纳米线。这种化学气相沉积的方法工艺流程简单，反应参数易于控制，所用设备价格低廉，所用原料成本较低且毒性较小，易于工业化推广。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)中，所述导电基底为超声清洗后的导电基底。优选地，步骤(1)中，所述导电基底为n型硅片、p型硅片、碳布或石墨片中的任意一种，优选为p型硅片。优选地，步骤(1)中，所述催化剂为金。优选地，步骤(1)中，在导电基底上覆盖催化剂的方法为离子溅射、热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射中的任意一种，优选为离子溅射。优选地，步骤(1)中，所述催化剂的厚度为2nm-10nm，例如2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为5nm。优选地，步骤(2)中，所述容器为石英舟、刚玉舟或陶瓷坩埚中任意一种，优选为石英舟。优选地，步骤(3)中，所述装有GaP粉末的容器位于双温区管式炉的第一温区中央。本专利技术中，步骤(3)中，所述覆盖催化剂的导电基底可以放置于第二温区中接近第一温区处，本领域技术人员可以根据自己设备的实际情况对其放置位置进行调整，以保证导电基底和装有GaP粉末的容器各自的温度符合反应要求。优选地，步骤(4)中，所述保护气为氩气。优选地，步骤(4)中，所述保护气从双温区管式炉靠近装有GaP粉末的容器的一侧通入。优选地，步骤(4)中，所述第一温区升温至950℃。优选地，步骤(4)中，所述第一温区的升温时间为20min-30min，优选为25min。优选地，步骤(4)中，所述第二温区升温至630℃。优选地，步骤(4)中，所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaP纳米线，其特征在于，所述GaP纳米线的平均直径为50nm‑100nm，长度为2μm‑30μm。

【技术特征摘要】
1.一种GaP纳米线，其特征在于，所述GaP纳米线的平均直径为50nm-100nm，长度为2μm-30μm。2.根据权利要求1所述的GaP纳米线的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)在导电基底上覆盖催化剂，得到覆盖催化剂的导电基底；(2)将GaP粉末装入容器中，得到装有GaP粉末的容器；(3)将覆盖催化剂的导电基底和装有GaP粉末的容器置于两端开口的石英管的两侧，把所述石英管放置于双温区管式炉中，其中，所述装有GaP粉末的容器位于双温区管式炉的第一温区，所述覆盖催化剂的导电基底位于双温区管式炉的第二温区；(4)从靠近所述覆盖催化剂的导电基底的一侧对双温区管式炉抽真空，在通入保护气的条件下加热双温区管式炉，使第一温区升温至930℃-1000℃，第二温区升温至620℃-650℃，保温，得到所述GaP纳米线。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述导电基底为超声清洗后的导电基底；优选地，步骤(1)中，所述导电基底为n型硅片、p型硅片、碳布或石墨片中的任意一种，优选为p型硅片；优选地，步骤(1)中，所述催化剂为金；优选地，步骤(1)中，在导电基底上覆盖催化剂的方法为离子溅射、热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射中的任意一种，优选为离子溅射；优选地，步骤(1)中，所述催化剂的厚度为2nm-10nm，优选为5nm；优选地，步骤(2)中，所述容器为石英舟、刚玉舟或陶瓷坩埚中任意一种，优选为石英舟；优选地，步骤(3)中，所述装有GaP粉末的容器位于双温区管式炉的第一温区中央；优选地，步骤(4)中，所述保护气为氩气；优选地，步骤(4)中，所述保护气从双温区管式炉靠近装有GaP粉末的容器的一侧通入；优选地，步骤(4)中，所述第一温区升温至950℃；优选地，步骤(4)中，所述第一温区的升温时间为20min-30min，优选为25min；优选地，步骤(4)中，所述第二温区升温至630℃；优选地，步骤(4)中，所述第二温区的升温时间为10min-20min，优选为15min；优选地，步骤(4)中，保温时间为10min-60min，优选为30min；优选地，步骤(4)全过程中一直进行抽真空操作；优选地，步骤(4)中，保温过程中保护气的流速为50sccm-500sccm，优选为100sccm；优选地，步骤(4)中，在所述第一温区升温至600℃以前，保护气的流速为500sccm，所述第一温区升温至600℃以后的加热过程以及后续的保温过程中，保护气的流速为100sccm。4.根据权利要求1所述的GaP纳米线的用途，其特征在于，所述GaP纳米线作为光电极用于光电化学电池。5.一种GaP/GaPN核壳纳米线，其特征在于，所述GaP/GaPN核壳纳米线以权利要求1所述的GaP纳米线作为原料制备得到。6.根据权利要求5所述的GaP/GaPN核壳纳米线，其特征在于，所述GaP/GaPN核壳纳米线由GaP纳米线核和覆盖在GaP纳米线核表面的GaPN非晶体壳层构成；优选地，所述GaP/GaPN核壳纳米线的平均直径为50nm-100nm，长度为2μm-30μm；优选地，所述GaPN非晶体壳层的厚度为1nm-5nm。7.根据权利要求5或6所述的GaP/GaPN核壳纳米线的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将所述GaP纳米线置于两端开口的石英管中，将石英管放置到反应炉中，在反应炉的一侧进行抽真空，在通入保护气的条件下加热反应炉，升温至720℃-800℃，停止抽真空并停止通入保护气，通入氨气，保温，得到所述GaP/GaPN核壳纳米线。8.根据权利要求7所述所述方法，其特征在于，所述反应炉为单温区管式炉、双温区管式炉或三温区管式炉中的任意一种；优选地，置于两端开口的石英管中的GaP纳米线在反应炉中位于温区中心；优选地，所述保护气为氩气；优选地，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董泽健，宫建茹，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11