CN111822013A - 一种单胞pn结及其精准构筑方法 - Google Patents
一种单胞pn结及其精准构筑方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111822013A CN111822013A CN202010640549.2A CN202010640549A CN111822013A CN 111822013 A CN111822013 A CN 111822013A CN 202010640549 A CN202010640549 A CN 202010640549A CN 111822013 A CN111822013 A CN 111822013A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- junction
- unit cell
- cell
- construction method
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 46
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 35
- 239000012295 chemical reaction liquid Substances 0.000 claims description 20
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 19
- ZYXMNRQOQYVOMA-UHFFFAOYSA-L [S-]SS[S-].[Zn+2].[In+3] Chemical compound [S-]SS[S-].[Zn+2].[In+3] ZYXMNRQOQYVOMA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N Phosphine Chemical compound P XYFCBTPGUUZFHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims description 10
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 10
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 9
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 8
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea group Chemical group NC(=S)N UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical compound [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- KWSLGOVYXMQPPX-UHFFFAOYSA-N 5-[3-(trifluoromethyl)phenyl]-2h-tetrazole Chemical compound FC(F)(F)C1=CC=CC(C2=NNN=N2)=C1 KWSLGOVYXMQPPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 150000002471 indium Chemical class 0.000 claims description 7
- 229910001379 sodium hypophosphite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000003751 zinc Chemical class 0.000 claims description 7
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910000337 indium(III) sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XGCKLPDYTQRDTR-UHFFFAOYSA-H indium(iii) sulfate Chemical compound [In+3].[In+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O XGCKLPDYTQRDTR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 5
- 229910000073 phosphorus hydride Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 5
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PSCMQHVBLHHWTO-UHFFFAOYSA-K indium(iii) chloride Chemical group Cl[In](Cl)Cl PSCMQHVBLHHWTO-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 4
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- AKHNMLFCWUSKQB-UHFFFAOYSA-L sodium thiosulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=S AKHNMLFCWUSKQB-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 235000019345 sodium thiosulphate Nutrition 0.000 claims description 4
- YUKQRDCYNOVPGJ-UHFFFAOYSA-N thioacetamide Chemical compound CC(N)=S YUKQRDCYNOVPGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- DLFVBJFMPXGRIB-UHFFFAOYSA-N thioacetamide Natural products CC(N)=O DLFVBJFMPXGRIB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 claims description 4
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 claims description 4
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical compound [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000013 Ammonium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N SnO2 Inorganic materials O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000012538 ammonium bicarbonate Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 claims description 3
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 claims description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 13
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 13
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 10
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 7
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 4
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000000024 high-resolution transmission electron micrograph Methods 0.000 description 3
- NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N indium zinc Chemical compound [Zn].[In] NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- HXVNBWAKAOHACI-UHFFFAOYSA-N 2,4-dimethyl-3-pentanone Chemical compound CC(C)C(=O)C(C)C HXVNBWAKAOHACI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003599 detergent Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000004298 light response Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/14—Phosphorus; Compounds thereof
- B01J27/16—Phosphorus; Compounds thereof containing oxygen, i.e. acids, anhydrides and their derivates with N, S, B or halogens without carriers or on carriers based on C, Si, Al or Zr; also salts of Si, Al and Zr
- B01J27/18—Phosphorus; Compounds thereof containing oxygen, i.e. acids, anhydrides and their derivates with N, S, B or halogens without carriers or on carriers based on C, Si, Al or Zr; also salts of Si, Al and Zr with metals other than Al or Zr
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/14—Phosphorus; Compounds thereof
- B01J27/185—Phosphorus; Compounds thereof with iron group metals or platinum group metals
- B01J27/1853—Phosphorus; Compounds thereof with iron group metals or platinum group metals with iron, cobalt or nickel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J27/00—Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
- B01J27/14—Phosphorus; Compounds thereof
- B01J27/186—Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
- B01J27/188—Phosphorus; Compounds thereof with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium with chromium, molybdenum, tungsten or polonium
- B01J27/19—Molybdenum
-
- B01J35/39—
-
- B01J35/40—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
- C01B3/042—Decomposition of water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Abstract
本发明属于PN结技术领域，本发明提供了一种单胞PN结，所述的单胞PN结是利用半导体材料在单胞内构筑的。本发明还提供了一种单胞PN结的精准构筑方法。本发明的单胞PN结均匀整齐，有透明感，尺寸在微米级；本发明的单胞PN结厚度与一个单胞半导体材料的厚度及原子层数完全吻合；本发明的构筑方法具有精确可控性，广泛适用于各种半导体材料，对于发挥材料本身性质并进一步提高光电化学性能具有重大意义。
Description
技术领域
本发明涉及PN结技术领域,尤其涉及一种单胞PN结及其精准构筑方法。
背景技术
光电化学分解水产氢，是一种能够有效解决能源危机和环境污染等问题且前景良好的方法。然而，目前常见半导体的光活性都受到催化活性位点少、光生载流子复合严重等问题的制约。而单胞厚度的二维材料不仅可以暴露几乎所有的原子以提供丰富的催化活性位点，而且可以大大缩短体相到表面的距离，从而加快光生载流子的分离与传输，进而减少了体相复合。
由于这类单胞厚度的二维材料具有巨大的比表面积，因此单一的材料仍会遭受表面光生载流子复合以及光腐蚀等问题的严重影响。合理构筑PN结，能够充分整合以上的优点并缓解单一材料的弊端。不仅可以减少光生电子的非生产性消耗以最大化产氢效率，同时还可以通过最小化光生空穴的摄入来抑制材料光腐蚀自分解。
目前，就传统PN结而言，已经做到了极限尺寸，即由两层单胞材料组成，且层间为范德华界面。但这种传统的PN结由不同的半导体构成，想要实现理想的PN结不仅取决于它们的能带排列，还受到晶体结构、晶体参数等其他特征的显著影响，使得传统的PN结难以在实际应用中实现。然而，单胞中的PN结在上述方面表现的非常优越。此外，单胞内原子之间的共价键对于结构的稳定性、电荷转移和载流子分离非常有利。因此，进一步探索单胞中的PN结将深化对半导体物理学的理解并推动相关新技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种单胞PN结及其精准构筑方法。本发明的单胞PN结均匀整齐，有透明感，尺寸在微米级；本发明的单胞PN结厚度与一个单胞半导体材料的厚度及原子层数完全吻合；本发明的构筑方法具有精确可控性，广泛适用于各种半导体材料。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种单胞PN结，所述的单胞PN结是利用半导体材料在单胞内构筑的。
作为优选，所述的半导体材料为ZnIn2S4或双元素半导体材料。
作为优选，所述的双元素半导体材料为TiO2、In2O3、ZnO、Fe2O3、MoS2、ZnS、CdS或SnS2。
本发明还提供了一种单胞PN结的精准构筑方法，包括如下步骤：
1)将锌盐、铟盐、硫源与水混合，得到反应液；
2)将反应液与掺杂氟的SnO2导电玻璃混合后进行反应，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列；
3)将含第五主族元素的物质与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列在惰性气氛下进行反应，得到单胞PN结。
作为优选，步骤1)所述锌盐为氯化锌、硝酸锌或硫酸锌，铟盐为氯化铟或硫酸铟，硫源为硫脲、硫代乙酰胺或硫代硫酸钠。
作为优选，步骤2)所述反应的温度为100～200℃，时间为1～24h。
作为优选，步骤2)所述混合前掺杂氟的SnO2导电玻璃经过超声清洗，所述掺杂氟的SnO2导电玻璃与反应液的体积比为1:1～10，所述反应完成后在真空条件下进行干燥，所述干燥的温度为50～70℃，所述真空度为0.03～0.07MPa。
作为优选，步骤3)所述反应的温度为200～600℃，时间为1～240min，所述惰性气体的流量为30～100sccm，所述惰性气体为氩气。
作为优选，步骤3)所述含第五主族元素的物质为红磷、次亚磷酸钠、磷化氢气体、氨气、碳酸氢铵、氯化铵或硝酸铵。
作为优选，步骤3)升温至反应温度的速率为2～10℃/min，当所述含第五主族元素的物质为气体时，所述气体的流量为总流量的1～30％。
本发明的有益效果包括以下几点：
1)本发明的单胞PN结均匀整齐，有透明感，尺寸在微米级。
2)本发明的单胞PN结具有精确可控性，对于发挥材料本身性质并进一步提高光电化学性能具有重大意义。
附图说明
图1为实施例3的单胞PN结的XRD图；
图2为实施例3的单胞PN结的SEM图，其中，(b)为俯视图，(c)为主视图；
图3为实施例3的单胞PN结沿001方向上的HRTEM图；
图4为实施例3的单胞PN结沿001方向上的原子模型图；
图5为实施例3的单胞PN结的正面HRTEM图；
图6为实施例3的单胞PN结的AFM图；
图7为实施例3的单胞PN结的EDSmapping图；
图8为实施例3的单胞PN结的莫特肖特基曲线；
图9为单胞PN结示意图；
图10为实施例4的单胞PN结的XRD图；
图11为实施例5的单胞PN结的XRD图；
图12为实施例6的单胞PN结的XRD图；
图13为实施例7的单胞PN结的XRD图；
图14为实施例8的单胞PN结的XRD图；
图15为实施例9的单胞PN结的XRD图；
图16为实施例10的单胞PN结的XRD图；
图17为实施例11的单胞PN结的XRD图。
具体实施方式
本发明提供了一种单胞PN结，所述的单胞PN结是利用半导体材料在单胞内构筑的。
本发明所述的半导体材料优选为ZnIn2S4或双元素半导体材料，所述的双元素半导体材料优选为TiO2、In2O3、ZnO、Fe2O3、MoS2、ZnS、CdS或SnS2。
本发明还提供了一种单胞PN结的精准构筑方法，包括如下步骤：
1)将锌盐、铟盐、硫源与水混合，得到反应液；
2)将反应液与掺杂氟的SnO2导电玻璃混合后进行反应，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列；
3)将含第五主族元素的物质与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列在惰性气氛下进行反应，得到单胞PN结。
本发明步骤1)所述锌盐优选为氯化锌、硝酸锌或硫酸锌，铟盐优选为氯化铟或硫酸铟，硫源优选为硫脲、硫代乙酰胺或硫代硫酸钠。
本发明步骤1)所述水优选去离子水，所述去离子水的量优选能够充分溶解锌盐、铟盐、硫源。
本发明步骤2)所述混合前掺杂氟的SnO2导电玻璃优选经过清洗，进一步优选为超声清洗，所述超声清洗的溶剂优选为丙酮、乙醇、去离子水、异丙酮、洗洁精、专业导电玻璃清洗液、浓H2SO4、H2O2和氢氟酸中的一种或几种，进一步优选为丙酮、乙醇和去离子水的混合溶剂、浓H2SO4与H2O2的混合溶剂或氢氟酸与去离子水的混合溶剂；所述超声清洗的时间优选为5～40min，进一步优选为10～30min；所述导电玻璃清洗后优选进行干燥处理。
本发明根据掺杂氟的SnO2导电玻璃上污垢的量选择合适的清洗方式和超声时间，为了保证清洗的干净度，可以适当延长超声时间。
本发明步骤2)所述掺杂氟的SnO2导电玻璃与反应液的体积比优选为1:1～10，进一步优选为1:3～7。
本发明步骤2)所述混合优选将干燥的导电玻璃放入聚四氟乙烯内胆后缓慢将反应液滴入内胆中，所述反应液优选不完全浸没导电玻璃。
本发明步骤2)所述反应的温度优选为100～200℃，进一步优选为120～180℃，更优选为140～160℃；所述反应的时间优选为1～24h，进一步优选为5～20h，更优选为10～15h。
本发明掺杂氟的SnO2导电玻璃反应前是光滑透明的，与反应液反应后导电玻璃上面有一层黄色的ZnIn2S4膜，ZnIn2S4膜比较均匀厚实，会充分接触并覆盖部分导电玻璃。
本发明步骤2)所述反应完成后，优选自然降温至室温；所述掺杂氟的SnO2导电玻璃优选在真空条件下进行干燥，所述干燥的温度优选为50～70℃，进一步优选为60～65℃，所述真空度优选为0.03～0.07MPa，进一步优选为0.04～0.06MPa。
本发明步骤2)对掺杂氟的SnO2导电玻璃在真空条件下进行干燥的目的是降低氧含量，防止氧化。
本发明步骤3)所述反应的温度优选为200～600℃，进一步优选为300～500℃，更优选为400℃；所述反应的时间优选为1～240min，进一步优选为10～200min，更优选为100～150min；所述惰性气体的流量优选为30～100sccm，进一步优选为50～90sccm，更优选为60～80sccm；所述惰性气体优选为氩气。
本发明步骤3)所述含第五主族元素的物质优选为红磷、次亚磷酸钠、磷化氢气体、氨气、碳酸氢铵、氯化铵或硝酸铵，进一步优选为红磷、次亚磷酸钠或磷化氢气体。
本发明步骤3)所述含第五主族元素的物质与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列的摩尔比优选为5～200：1，进一步优选为20～150：1，更优选为50～100：1。
本发明步骤3)升温至反应温度的速率优选为2～10℃/min，进一步优选为4～8℃/min，更优选为5～7℃/min；所述升温的起始温度优选为20℃；所述反应优选在密封环境下进行，所述反应前优选通入惰性气体排空空气。
本发明步骤3)所述含第五主族元素的物质为气体时，所述气体的流量优选为总流量的1～30％，进一步优选为5～20％，更优选为10～15％；所述气体通入时间优选和反应时间相同。
本发明所述总流量为含第五主族元素的气体和惰性气体的总流量，惰性气体起到载气的作用，目的是控制含第五主族元素气体的比例。
本发明所述含第五主族元素的物质与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列反应的原理为含第五主族元素的物质气化或分解为含有第五主族元素的气体，气体在高温环境下化学键断裂后生成第五主族元素，第五主族元素再与单胞四硫化二铟锌纳米片结合，占据晶格。
本发明的四硫化二铟锌(ZnIn2S4)是一种可见光响应、结构稳定、活性较好的半导体材料，由于固有少量的硫空位，而使得材料呈现N型导电性，可作为研究单胞PN结的良好模型。本发明的构筑方法得到的单胞PN结均匀整齐，有透明感，尺寸在微米级；单胞PN结厚度为1.25nm且具有7层原子，与一个单胞ZnIn2S4的厚度及原子层数完全吻合。本发明单胞PN结的构筑方法得到的磷元素全部掺杂在单胞PN结的一面，具有精确可控性，本发明的构筑方法广泛适用于各种半导体材料，对于发挥材料本身性质并进一步提高光电化学性能具有重大意义。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将掺杂氟的SnO2导电玻璃(导电玻璃FTO)分别在丙酮、乙醇和去离子水中各连续超声30min，干燥、备用。将氯化锌、氯化铟和硫脲按原子比Zn:In:S＝1:2:4放入烧杯中，加入适量的去离子水进行充分搅拌，得到反应液。然后，将干燥的导电玻璃FTO放入聚四氟乙烯内胆中，缓慢将反应液滴入内胆中，导电玻璃FTO与反应液的体积比为1:2，反应液不完全浸没导电玻璃。将聚四氟乙烯内胆放入高压反应釜，再将高压反应釜放入烘箱中，在100℃下反应24h。反应完成后，自然降温至室温。打开反应釜，导电玻璃FTO上形成了薄膜，将导电玻璃FTO取出后使用去离子水和乙醇进行反复清洗，然后在真空度为0.03MPa，温度为60℃的真空干燥箱中进行干燥，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列。
将50g的红磷固体与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列分别放置在石墨舟的头尾两端，红磷固体与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列的摩尔比为10：1，再将石墨舟放置在可程序控温的管式炉中，其中，红磷固体放置在气流的上游，单胞四硫化二铟锌纳米片阵列放置在中心温区。将管式炉密封后通入流量为30sccm的氩气排空空气，在起始温度为20℃下以2℃/min的升温速率升温至300℃，反应240min后自然降至室温，即得单胞PN结。
实施例2
将掺杂氟的SnO2导电玻璃(导电玻璃FTO)在体积比为3:1的浓H2SO4和H2O2溶液中清洗15min后再在该溶液中超声清洗5min，干燥、备用。将硝酸锌、硫酸铟和硫代乙酰胺按原子比Zn:In:S＝1:2:4放入烧杯中，加入适量的去离子水进行充分搅拌，得到反应液。然后，将干燥的导电玻璃FTO放入聚四氟乙烯内胆中，缓慢将反应液滴入内胆中，导电玻璃FTO与反应液的体积比为1:10，反应液不完全浸没导电玻璃。将聚四氟乙烯内胆放入高压反应釜，再将高压反应釜放入烘箱中，在200℃下反应2h。反应完成后，自然降温至室温。打开反应釜，导电玻璃FTO上形成了薄膜，将导电玻璃FTO取出后使用去离子水和乙醇进行反复清洗，然后在真空度为0.07MPa，温度为50℃的真空干燥箱中进行干燥，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列。
将200g的次亚磷酸钠固体与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列分别放置在石墨舟的头尾两端，次亚磷酸钠固体与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列的摩尔比为100：1，再将石墨舟放置在可程序控温的管式炉中，其中，次亚磷酸钠固体放置在气流的上游，单胞四硫化二铟锌纳米片阵列放置在中心温区。将管式炉密封后通入流量为100sccm的氩气排空空气，在起始温度为20℃下以10℃/min的升温速率升温至600℃，反应10min后自然降至室温，即得单胞PN结。
实施例3
将掺杂氟的SnO2导电玻璃(导电玻璃FTO)在体积比为1:10的氢氟酸和去离子水中清洗15min后再在该溶液中超声清洗5min，干燥、备用。将硫酸锌、硫酸铟和硫代硫酸钠按原子比Zn:In:S＝1:2:4放入烧杯中，加入适量的去离子水进行充分搅拌，得到反应液。然后，将干燥的导电玻璃FTO放入聚四氟乙烯内胆中，缓慢将反应液滴入内胆中，导电玻璃FTO与反应液的体积比为1:6，反应液不完全浸没导电玻璃。将聚四氟乙烯内胆放入高压反应釜，再将高压反应釜放入烘箱中，在150℃下反应15h。反应完成后，自然降温至室温。打开反应釜，导电玻璃FTO上形成了薄膜，将导电玻璃FTO取出后使用去离子水和乙醇进行反复清洗，然后在真空度为0.05MPa，温度为70℃的真空干燥箱中进行干燥，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列。
将单胞四硫化二铟锌纳米片阵列放置在石墨舟中，再将石墨舟放置在可程序控温的管式炉的中心温区处，将管式炉密封后通入流量为70sccm的氩气排空空气，在起始温度为20℃下以7℃/min的升温速率升温至400℃，当管式炉温度达到400℃时立即通入磷化氢气体，磷化氢气体与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列的摩尔比为50：1，反应100min，保证磷化氢气体通入时间和反应时间一致，反应完成后自然降至室温，即得单胞PN结。
实施例4
将实施例3的ZnIn2S4替换为TiO2，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例5
将实施例3的ZnIn2S4替换为In2O3，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例6
将实施例3的ZnIn2S4替换为ZnO，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例7
将实施例3的ZnIn2S4替换为Fe2O3，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例8
将实施例3的ZnIn2S4替换为MoS2，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例9
将实施例3的ZnIn2S4替换为ZnS，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例10
将实施例3的ZnIn2S4替换为CdS，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
实施例11
将实施例3的ZnIn2S4替换为SnS2，其他步骤与实施例3相同，成功制得单胞PN结。
对实施例3的单胞PN结进行测试，由图1的XRD图可知，ZnIn2S4为纯相六方晶型，无杂质生成；由图2的SEM图可知，单胞PN结生长均匀整齐，且尺寸在微米级，有透明感，说明材料很薄。
由图3的HRTEM图可知，单胞PN结沿001方向上生长的单胞厚度约为1.24nm且具有7层原子，与一个单胞的ZnIn2S4的厚度及原子层数完全吻合；由图4的原子模型图可知，沿001方向上原子模型及其对应的单胞材料厚度为1.234nm；由图5的正面HRTEM图可知，经过P掺杂后，单胞PN结的原子结构仍然完整，说明P掺杂量的控制是十分精确的，对于材料的结构性质影响较小。如果过量的掺杂必定会引入很多缺陷，导致电子空穴复合程度加重，损害材料性能。其次，本专利的单胞PN结晶格间距d＝0.33nm，对应(100)面和(010)面，夹角为60°，说明该单胞PN结主要暴露晶面为(001)。
由图6的AFM图可知，单胞PN结的厚度为1.25nm，与ZnIn2S4的单胞厚度一致；由图7的EDSmapping数据可知，磷元素成功掺入材料中，并且可控地掺杂在一面，证明本专利构筑方法的精确可控性；由图8的莫特肖特基曲线图可知，单胞PN结的P型和N型共存，本专利的方法成功构筑了PN结。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单胞PN结，其特征在于，所述的单胞PN结是利用半导体材料在单胞内构筑的。
2.根据权利要求1所述的单胞PN结，其特征在于，所述的半导体材料为ZnIn2S4或双元素半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的单胞PN结，其特征在于，所述的双元素半导体材料为TiO2、In2O3、ZnO、Fe2O3、MoS2、ZnS、CdS或SnS2。
4.权利要求1～3任意一项所述的单胞PN结的精准构筑方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将锌盐、铟盐、硫源与水混合，得到反应液；
2)将反应液与掺杂氟的SnO2导电玻璃混合后进行反应，得到单胞四硫化二铟锌纳米片阵列；
3)将含第五主族元素的物质与单胞四硫化二铟锌纳米片阵列在惰性气氛下进行反应，得到单胞PN结。
5.根据权利要求4所述的构筑方法，其特征在于，步骤1)所述锌盐为氯化锌、硝酸锌或硫酸锌，铟盐为氯化铟或硫酸铟，硫源为硫脲、硫代乙酰胺或硫代硫酸钠。
6.根据权利要求5所述的构筑方法，其特征在于，步骤2)所述反应的温度为100～200℃，时间为1～24h。
7.根据权利要求6所述的构筑方法，其特征在于，步骤2)所述混合前掺杂氟的SnO2导电玻璃经过超声清洗，所述掺杂氟的SnO2导电玻璃与反应液的体积比为1:1～10，所述反应完成后在真空条件下进行干燥，所述干燥的温度为50～70℃，所述真空度为0.03～0.07MPa。
8.根据权利要求5或7所述的构筑方法，其特征在于，步骤3)所述反应的温度为200～600℃，时间为1～240min，所述惰性气体的流量为30～100sccm，所述惰性气体为氩气。
9.根据权利要求8所述的构筑方法，其特征在于，步骤3)所述含第五主族元素的物质为红磷、次亚磷酸钠、磷化氢气体、氨气、碳酸氢铵、氯化铵或硝酸铵。
10.根据权利要求9所述的构筑方法，其特征在于，步骤3)升温至反应温度的速率为2～10℃/min，当所述含第五主族元素的物质为气体时，所述气体的流量为总流量的1～30％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010640549.2A CN111822013B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种单胞pn结及其精准构筑方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010640549.2A CN111822013B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种单胞pn结及其精准构筑方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111822013A true CN111822013A (zh) | 2020-10-27 |
| CN111822013B CN111822013B (zh) | 2022-11-18 |
Family
ID=72901182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010640549.2A Active CN111822013B (zh) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | 一种单胞pn结及其精准构筑方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111822013B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1705139A (zh) * | 2004-05-25 | 2005-12-07 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一系列半导体材料 |
| CN101792931A (zh) * | 2010-03-24 | 2010-08-04 | 南开大学 | 一种金属硫化物单晶材料及其制备方法 |
| CN101805136A (zh) * | 2010-03-11 | 2010-08-18 | 许昌学院 | 在ito导电玻璃上原位制备纳米网状硫铟锌三元化合物光电薄膜的化学方法 |
| CN102068979A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-05-25 | 大连海事大学 | ZnIn2S4可见光催化剂降解甲基橙染料废水的方法 |
| US20150333212A1 (en) * | 2013-01-29 | 2015-11-19 | Imra Europe Sas | Method for preparing a thin layer of an absorber made of copper, zinc and tin sulfide(s), annealed thin layer and photovoltaic device thus obtained |
| CN106025302A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-10-12 | 天津理工大学 | 一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料 |
| CN109052988A (zh) * | 2018-10-19 | 2018-12-21 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种锌铟硫纳米片阵列薄膜的制备方法 |
| CN109621979A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-16 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种ZnO/锌铟硫纳米异质结的制备方法 |
| CN109821562A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-05-31 | 淮北师范大学 | 一种MoP-Zn3In2S6复合纳米材料的制备方法 |
| CN110560105A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-12-13 | 西北师范大学 | 磷化镍负载硫铟锌纳米微球复合材料的制备及在光催化产氢中的应用 |
| CN111863625A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-10-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种单一材料pn异质结及其设计方法 |
-
2020
- 2020-07-06 CN CN202010640549.2A patent/CN111822013B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1705139A (zh) * | 2004-05-25 | 2005-12-07 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一系列半导体材料 |
| CN101805136A (zh) * | 2010-03-11 | 2010-08-18 | 许昌学院 | 在ito导电玻璃上原位制备纳米网状硫铟锌三元化合物光电薄膜的化学方法 |
| CN101792931A (zh) * | 2010-03-24 | 2010-08-04 | 南开大学 | 一种金属硫化物单晶材料及其制备方法 |
| CN102068979A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-05-25 | 大连海事大学 | ZnIn2S4可见光催化剂降解甲基橙染料废水的方法 |
| US20150333212A1 (en) * | 2013-01-29 | 2015-11-19 | Imra Europe Sas | Method for preparing a thin layer of an absorber made of copper, zinc and tin sulfide(s), annealed thin layer and photovoltaic device thus obtained |
| CN106025302A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-10-12 | 天津理工大学 | 一种单胞厚度纳米多孔四氧化三钴纳米片阵列电催化材料 |
| CN109052988A (zh) * | 2018-10-19 | 2018-12-21 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种锌铟硫纳米片阵列薄膜的制备方法 |
| CN109621979A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-04-16 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种ZnO/锌铟硫纳米异质结的制备方法 |
| CN109821562A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-05-31 | 淮北师范大学 | 一种MoP-Zn3In2S6复合纳米材料的制备方法 |
| CN110560105A (zh) * | 2019-09-03 | 2019-12-13 | 西北师范大学 | 磷化镍负载硫铟锌纳米微球复合材料的制备及在光催化产氢中的应用 |
| CN111863625A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-10-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种单一材料pn异质结及其设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111822013B (zh) | 2022-11-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109621979B (zh) | 一种ZnO/锌铟硫纳米异质结的制备方法 | |
| Guo et al. | Fabrication of TiO2 nano-branched arrays/Cu2S composite structure and its photoelectric performance | |
| CN104393103B (zh) | 一种Cu2ZnSnS4半导体薄膜的制备方法及其应用 | |
| CN111261413B (zh) | 一种Ti掺杂α-Fe2O3纳米棒复合MOFs异质结光阳极及其制备方法与应用 | |
| CN104659157B (zh) | 基于BiOBr/CdS异质结光电薄膜材料的制备方法 | |
| CN102637755B (zh) | 一种纳米结构czts薄膜光伏电池及其制备方法 | |
| CN108922927B (zh) | 一种稳定的化合物半导体太阳光分解水产氢电子器件、电极***及其制备方法 | |
| CN112195483B (zh) | 一种构建z型异质结光阳极的方法及z型异质结光阳极 | |
| CN110252352A (zh) | 一种碳量子点修饰钨酸铋/有序大孔氟掺杂氧化锡复合光催化剂及其制备方法和应用 | |
| CN105261483B (zh) | Cu2ZnSnS4敏化TiO2光阳极及其原位制备方法和应用 | |
| CN107680816B (zh) | 多孔Ti负载空心针状NiCo2S4对电极的制备方法 | |
| Sheela et al. | Progress in transition metal chalcogenides-based counter electrode materials for dye-sensitized solar cells | |
| CN112310287A (zh) | 一种可规模化生产的高稳定无机空穴传输薄膜的制备方法 | |
| CN107994122A (zh) | 锌掺杂氧化镍纳米颗粒空穴传输层正置钙钛矿太阳能电池及制备方法 | |
| Chen et al. | Morphology selective electrodeposition of Cu2O microcrystals on ZnO nanotube arrays as efficient visible-light-driven photo-electrode | |
| CN106835183B (zh) | 一种WSe2基复合纳米片光电极的制备方法 | |
| CN103545112A (zh) | 使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极及其制备 | |
| Mendhe et al. | Sequential growth-controlled silver selenide nanoparticles embedded 1D-CdS nanowires: Heterostructure design to enhance power conversion efficiency | |
| CN106328381A (zh) | 一种全固态量子点敏化太阳能电池及其制备方法 | |
| CN112234110B (zh) | 一种三明治状pn结及其精准构筑方法 | |
| CN111962090B (zh) | 一种Ti3C2-MXene修饰的α-氧化铁光电极及其制备方法 | |
| Luo et al. | 3D hierarchically branched Cu2S/ZnO heterojunction nanowire arrays for enhanced solar water splitting | |
| CN104037267B (zh) | 一种对铜锌锡硒薄膜太阳能电池吸收层改性的方法 | |
| CN105568309A (zh) | 一种光电化学电池的光电极的制备方法 | |
| Zhang et al. | Bi2O2S topological transformation and in-situ regrowth of [hk1]-oriented SbBiS3-xSex 2D skeleton structure for construction of efficient quasi-two-dimensional Sb2S3-xSex-based heterojunction photoanodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |