一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域；本方法采用乙醇溶剂热法，通过共沉淀结晶技术，在温和条件下利用硫粉、氯化亚铜和醋酸锌之间的化学反应，通过调控无机盐的用量比例实现掺杂原子在晶格中的均衡分布，最终获得Zn掺杂的超晶格纳米花。制备的Zn掺杂的CuS超晶格纳米花具有结晶完整性高、单分散、花的形貌完美等优点，其强烈的光电子响应特性适合作为光电子器件的响应材料。该制备方法操作简便，使用原料成本低廉，无需使用任何化学添加剂，无任何毒害副产物，环境友好，便于工业化生产获得高附加值的产品。

【技术实现步骤摘要】
一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种锌掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在光电子应用领域，三维花状纳米结构材料相对一维纳米线和二维纳米片而言优势十分明显，其高的比表面积有利于光子的吸收，其内在的互穿网格结构有利于光生载流子的输运。二十多年来，人们通过纳米技术已经成功制备了许多半导体花状纳米晶，如氧化铁纳米雪花，氧化锌纳米丁香花，硫化铅纳米合欢花，氧化钛纳米茶花，氧化铜纳米牡丹，硫化铜纳米玫瑰，硫化镍纳米花，硫化钴纳米花等。但在纳米光电器件应用中，三维花状纳米结构材料仍面临着光生电子和空穴复合几率高的问题。近年来研究发现，超晶格纳米结构具有人们渴盼的量子限域效应，其特有的超晶格调制结构相当于异质结界面，能够有效地提高光生电子-空穴对的产率和分离效率，因此超晶格纳米结构被誉为“打开了纳米研究和应用的新篇章”。Yang研究组通过混合脉冲激光烧蚀-化学气相沉积(PLA-CVD)技术制备了Si/SiGe超晶格，Lieber研究组也通过相似的方法制得了GaAs/GaP超晶格，而Samuelson研究组则通过化学束磊晶技术CBE获得了InAs/InP超晶格。这些方法的共同特点都是通过气体-液体-固体生长过程(VLS)实现掺杂原子在晶格中的均衡分布，该方法需要在反应物气化的条件下多次交替变换反应物，工艺设备复杂，操作要求严格且大量耗能，很难实现工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的缺点，提供一种Zn掺杂的CuS超晶格结构纳米花材料及其低成本制备方法和应用。一种Zn掺杂的CuS超晶格结构纳米花，元素组成为Zn0.49Cu0.51S，属于六方晶相，具有单分散的花的微形貌和内在的超晶格结构，花的粒径约1μm，花瓣厚度约30nm。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料，Zn掺杂的CuS超晶格纳米花，元素组成为Zn0.49Cu0.51S，属于六方晶相，具有单分散的花的微形貌和内在的超晶格结构；所述的Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料，花的粒径约1μm，花瓣厚度约30nm。所述的Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料作为光电子器件的响应材料的应用，其强烈的光电子响应特性适合作为光电子器件的响应材料。一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料的制备方法，包括以下步骤：(1)CuCl、Zn(Ac)2·2H2O和S粉按摩尔比0.5-x∶x∶0.75共置于反应釜聚四氟乙烯内胆中，加入无水乙醇溶剂，磁力搅拌10min，得无色混浊液；(2)密封反应釜，置于恒温干燥箱中，控温180℃，恒温反应24小时，自然冷却至室温；(3)步骤(2)所得产物依次用蒸馏水和无水乙醇多次洗涤，离心分离、真空干燥，得到的黑色粉体即为Zn掺杂的CuS超晶格纳米花材料。所述的制备方法，步骤(1)中硫粉的用量为0.75mmol，x值分别为0，0.05，0.15，0.20，0.25，0.30mmol。所述的制备方法，步骤(2)中恒温干燥箱自然升温至180℃，恒温反应24小时，温度波动±5℃。所述的制备方法，步骤(3)中离心机转速3500r/min，离心分离时间2min。所述的制备方法，步骤(3)中真空干燥控温60℃，干燥30min，得到Zn掺杂的CuS超晶格纳米花材料。所述的制备方法，在容积为20mL的反应釜聚四氟乙烯内胆中，加入0.25mmolCuCl、0.25mmolZn(Ac)2·2H2O和0.75mmolS粉和15mL无水乙醇，磁力搅拌10min后密封反应釜，置于恒温干燥箱中，控温180℃，恒温反应24小时，自然冷却至室温；所得产物依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤2次，离心分离、真空干燥箱(0.1Pa)中60℃干燥30min，得到黑色固体粉末产品。本专利技术采用乙醇溶剂热法，在温和条件下利用硫粉、氯化亚铜和醋酸锌之间的化学反应，通过调控无机盐的用量比例实现掺杂原子在晶格中的均衡分布，最终获得Zn掺杂的超晶格纳米花。整个制备过程操作简便、绿色环保，能耗低，使用原料成本低廉，又无需使用任何化学添加剂，无任何毒害副产物，环境友好，便于工业化的合成。本专利技术以简单的金属无机盐和硫粉为原料，通过简单的乙醇溶剂热法获得了Zn掺杂的CuS超晶格结构纳米花，不仅实现了纳米花结构和超晶格结构的优势联合，而且具有原料成本低、工艺过程简单和低耗能等优点。本专利技术的优点是：1、本专利技术Zn掺杂的CuS超晶格纳米花材料具有强烈的光电子响应特性，在光电子器件应用领域具有广泛的应用前景。2、本专利技术使用价格低廉的硫粉、氯化亚铜和醋酸锌为原料，便于工业化生产获得高附加值的产品。3、本专利技术用无水乙醇作为反应介质，无需用到毒性较大的有机溶剂，属于环境友好型反应。4、本专利技术反应条件温和，且不需要用到任何化学添加剂，操作简单，成本低。附图说明图1是所有实施例中制备的不同Zn掺杂量的CuS纳米花材料的X射线能量色散(EDS)谱图；图2是所有实施例中制备的不同Zn掺杂量的CuS纳米花材料的X射线衍射(XRD)谱图；图3是所有实施例中制备的不同Zn掺杂量的CuS纳米花材料的拉曼光谱图；图4是实施例1制备的纯CuS纳米花材料的扫描电子显微(SEM)照片；图5是实施例1制备的纯CuS纳米花材料的选区电子衍射(SAED)图案；图6是实施例1制备的纯CuS纳米花材料的表面瞬态光电压(TPV)谱图；图7是实施例2制备的Zn0.49Cu0.51S超晶格纳米花材料的SEM照片；图8是实施例2制备的Zn0.49Cu0.51S超晶格纳米花材料的SAED图案；图9是实施例2制备的Zn0.49Cu0.51S超晶格纳米花材料的TPV谱图；图10是实施例3制备的Zn0.06Cu0.94S纳米花材料的SAED图案；图11是实施例3制备的Zn0.06Cu0.94S纳米花材料的TPV谱图；图12是实施例4制备的Zn0.26Cu0.73S1.01纳米花材料的SAED图案；图13是实施例4制备的Zn0.26Cu0.73S1.01纳米花材料的TPV谱图；图14是实施例5制备的Zn0.36Cu0.62S1.02纳米花材料的SAED图案；图15是实施例5制备的Zn0.36Cu0.62S1.02纳米花材料的TPV谱图；图16是实施例6制备的Zn0.58Cu0.40S1.02超晶格纳米花材料的SAED图案；图17是实施例6制备的Zn0.58Cu0.40S1.02超晶格纳米花材料的TPV谱图；具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。实施例1在容积为20mL的反应釜聚四氟乙烯内胆中，加入0.5mmolCuCl、0.75mmolS粉和15mL无水乙醇，磁力搅拌10min后密封反应釜，置于恒温干燥箱中，控温180℃，恒温反应24小时，自然冷却至室温。所得产物依次用蒸馏水和无水乙醇各洗涤2次，离心分离、真空干燥箱(0.1Pa)中60℃干燥30min，得到黑色固体粉末产品。产品分析结果：该产品经EDS元素分析其化学组成为纯的CuS(Cu∶S＝50.2∶49.8)。粉末X射线衍射(XRD)分析表明该纯的CuS产品为六方晶相，晶胞参数拉曼光谱活性模振动频次峰出现在474cm-1处，和六方晶相Cu本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料，其特征在于：Zn掺杂的CuS超晶格纳米花，其元素组成为Zn0.49Cu0.51S，属于六方晶相，具有单分散的花的微形貌和内在的超晶格结构。

【技术特征摘要】
1.一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料，其特征在于：Zn掺杂的CuS超晶格纳米花，其元素组成为Zn0.49Cu0.51S，属于六方晶相，具有单分散的花的微形貌和内在的超晶格结构。2.权利要求1所述的Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料，其特征在于：花的粒径1μm，花瓣厚度30nm。3.权利要求1所述的Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料作为光电子器件的响应材料的应用。4.一种Zn掺杂的CuS超晶格纳米花光电子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)CuCl、Zn(Ac)2·2H2O和S粉按摩尔比0.5-x∶x∶0.75共置于反应釜聚四氟乙烯内胆中，加入无水乙醇溶剂，磁力搅拌10min，得无色混浊液；硫粉的用量为0.75mmol，x值分别为0.20，0.25，0.30mmol；(2)密封反应釜，置于恒温干燥箱中，控温180℃，恒温反应24小时，自然冷却至室温；(3)步骤(2)所得产物依次用蒸馏水和无水乙醇多次洗涤，离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远浩，王培培，李品将，张校飞，雷岩，郑直，
申请(专利权)人：高远浩，
类型：发明
国别省市：河南;41