CN114875493B - 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用 - Google Patents

一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114875493B
CN114875493B CN202210467938.9A CN202210467938A CN114875493B CN 114875493 B CN114875493 B CN 114875493B CN 202210467938 A CN202210467938 A CN 202210467938A CN 114875493 B CN114875493 B CN 114875493B
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
inn
film
nano
heterojunction
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.)
Active
Application number
CN202210467938.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114875493A (zh
Inventor
李国强
梁杰辉
刘乾湖
谢少华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202210467938.9A priority Critical patent/CN114875493B/zh
Publication of CN114875493A publication Critical patent/CN114875493A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114875493B publication Critical patent/CN114875493B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/002—Processes for applying liquids or other fluent materials the substrate being rotated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/50—Processes
    • C25B1/55—Photoelectrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C25B11/053—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate characterised by multilayer electrocatalytic coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/02—Heat treatment
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种Si衬底上的InN‑ⅥA族异质结及其制备方法与应用。该异质结包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱和生长在所述InN纳米柱上的ⅥA族薄膜。所述ⅥA族薄膜包括In2O3薄膜和In2Se3薄膜；所述In2O3薄膜附着在所述InN纳米柱上，所述In2Se3薄膜附着在所述In2O3薄膜上。本发明的基于Si衬底上的InN‑ⅥA族异质结能显著提高InN纳米柱的光电转换效率；同时，该制备方法工艺简单、成本低，为其它半导体复合催化材料的制备提供了一种新型的思路。最后，本发明公开的基于Si衬底上的InN纳米柱‑ⅥA族异质结具有较大的比表面积，对太阳光有较强的吸收，适用于光电解水产氢。

Description

一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及InN纳米柱领域，特别涉及一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用。
背景技术
随着时代进步与科技发展，能源已经成为影响人类社会的一个重要因素。目前，煤炭、石油、天然气等传统能源在世界的经济发展中依然占有举足轻重的作用，但是这些资源在地球上的储量却很有限。面对这些问题与挑战，光电化学(Photoelectrochemical，PEC)分解水制氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能。但目前制氢效率并不高，产量有待提高，离工业化生产仍存在着一定距离，主要原因是半导体研制在光生载流子、能带结构、光响应等难点上难以突破。
近年来，Ⅲ-Ⅴ族化合物纳米柱在PEC分解水领域具有广阔的应用前景，其中InN表现出非凡的电荷载流子迁移率，吸光性良好(带隙为0.7eV,吸收带边位于1771nm)，很适合用于PEC光电极。然而InN只有价带位置(-5.84eV)低于O2/H2O氧化电位(5.70eV)，导带位置(-5.14eV)不高于H2O/H+还原电位(5.70eV)，同时水的氧化还原电位差为1.23eV＞0.7eV，不能有效实现PEC分解水制氢。
利用能带工程构建异质结，使得***的能带结构跨越水的氧化、还原电位，被认为是解决这一问题的有效方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用。本发明的InN/In2O3/In2Se3的Ⅱ型能带结构符合PEC分解水制氢对能带的要求，能显著提高InN纳米柱的光电转换效率；同时，该制备方法工艺简单、成本低，为其它半导体复合催化材料的制备提供了一种新型的思路。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱和生长在所述InN纳米柱上的ⅥA族薄膜。
优选的，所述ⅥA族薄膜包括In2O3薄膜和In2Se3薄膜；所述In2O3薄膜附着在所述InN纳米柱上，所述In2Se3薄膜附着在所述In2O3薄膜上。
优选的，所述InN纳米柱的高度为250～300nm,直径为50～100nm。
优选的，所述Si衬底为超低阻硅，电阻率小于1Ω·cm。
制备以上任一项所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的方法，包括以下步骤：
(1)采用分子束外延生长工艺在Si衬底上生长InN纳米柱；
(2)将步骤(1)中制备的InN纳米柱外延片在大气气氛下退火氧化，再甩上一层均匀的In2Se3薄膜，得到Si衬底上的InN-ⅥA族异质结；所述退火氧化的温度为100-500℃，退火氧化的时间为10min～15h。
优选的，所述退火氧化的温度为470℃。
优选的，所述退火氧化的时间为10min～6h。
优选的，所述In2Se3薄膜的制备包括以下步骤：
以1:1～2的体积比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.1～1mol/L-1的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(2)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取100～200ml的In2Se3溶液，以400～600rpm*3～9s、800～1000rpm*20～40s、1400～1600rpm*20～40s的转速甩膜。
优选的，所述In2Se3薄膜的制备包括以下步骤：
以1:1体积比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L-1的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(2)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜。
优选的，所述在Si衬底上生长InN纳米柱包括以下步骤：
控制Si衬底的转速为5～10r/min，生长温度为350～450℃，In束流等效压强为1×10-7～2.4×10-7Torr，氮气流量为1～5sccm，等离子体源功率为200～400W，生长时间为1～3h，在Si衬底上生长InN纳米柱；
所述Si衬底选取Si(111)晶面；所述Si衬底要经过清洗处理，首先用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物，然后用HF溶液处理Si衬底以处理表面氧化层，最后用高纯干燥氮气吹干；所述用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物是依次在丙酮、无水乙醇中旋洗，之后用水漂洗干净；所述HF溶液的浓度为5～20wt％。
以上任一项所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结在光电解水产氢中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明Si衬底上的InN纳米柱在应用于光电解水制氢时，InN纳米柱的纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应。
(2)本发明Si衬底上的InN纳米柱及表面的In2O3、In2Se3薄膜中，形成的InN/In2O3/In2Se3异质结构跨越水分解的氧化、还原电位，能增强InN纳米柱光生载流子分离与转移，显著提高InN纳米柱的光电转换效率。
(3)本发明制备方法工艺简单、成本低，为其它半导体复合催化材料的制备提供了一种新型的思路。
附图说明
图1为实施例1-4中生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3/In2Se3薄膜的结构示意图。
图2为实施例1中生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3/In2Se3薄膜的光电化学制氢体系中平行式光电化学电池结构示意图。
图3为实施例1、实施例4、对比例3中生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3/In2Se3薄膜的光电流密度-偏压曲线图。
图4为对比例2中生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3的光电流密度-偏压曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为10min。
(5)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
如图1所示，本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的截面示意图，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱、附着在所述InN纳米柱上的In2O3及In2Se3薄膜。
将本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结应用于光电解水产氢。将本实施例制备的InN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积Ti/Au金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阴极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt线作为阳极，以及功率为300W的Xe灯(光强度～100mW/cm2)作为光源，见图2。测试得到光电流密度-偏压曲线，见图3。本实施例制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-1.14mA/cm2。
实施例2
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为30min。
(5)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
如图1所示，本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的截面示意图，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱、附着在所述InN纳米柱上的In2O3及In2Se3薄膜。
将本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结应用于光电解水产氢：将本实施例制备的InN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积Ti/Au金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阴极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt线作为阳极，以及功率为300W的Xe灯(光强度～100mW/cm2)作为光源。测试得到光电流密度-偏压曲线。本实施例制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-1.02mA/cm2。
实施例3
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为6h。
(5)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
如图1所示，本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的截面示意图，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱、附着在所述InN纳米柱上的In2O3及In2Se3薄膜。
将本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结应用于光电解水产氢：将本实施例制备的InN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积Ti/Au金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阴极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt线作为阳极，以及功率为300W的Xe灯(光强度～100mW/cm2)作为光源。测试得到光电流密度-偏压曲线。本实施例制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.62mA/cm2。
实施例4
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为15h。
(5)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
如图1所示，本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的截面示意图，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱、附着在所述InN纳米柱上的In2O3及In2Se3薄膜。
将本实施例一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结应用于光电解水产氢：将本实施例制备的InN纳米柱制作成光电极，具体步骤如下：用电子束蒸发沉积Ti/Au金属层与Si背面形成欧姆接触，然后用金属导线与金属层连接，并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。最后，使用电化学工作站进行光电化学测试，具体如下：使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液，所制备光电极作为阴极，Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt线作为阳极，以及功率为300W的Xe灯(光强度～100mW/cm2)作为光源。测试得到光电流密度-偏压曲线。本实施例制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.31mA/cm2。
对比例1
生长在Si衬底上的InN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，纳米柱的高度约为280nm,直径为80nm。
测试得到光电流密度-偏压曲线，测试方法与实施例1相同。本对比例制备得到的生长在Si衬底上的InN纳米柱光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.03mA/cm2。实施例1制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-1.14mA/cm2，为生长在Si衬底上的InN纳米柱光电极在-0.60V vs.RHE偏压时，光电流密度的38.6倍。
对比例2
生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，纳米柱的高度约为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为10min。
测试得到光电流密度-偏压曲线，如图4，测试方法与实施例1相同。本对比例制备得到的生长在Si衬底上的InN纳米柱/In2O3光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.71mA/cm2。实施例1制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80Vvs.RHE偏压时，光电流密度为-1.14mA/cm2，为生长在Si衬底上的InN纳米柱光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度的1.60倍。
对比例3
生长在Si衬底上的InN-In2Se3异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
测试得到光电流密度-偏压曲线，见图3，测试方法与实施例1相同。本对比例制备得到的生长在Si衬底上的InN纳米柱光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.99mA/cm2。实施例1制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80Vvs.RHE偏压时，光电流密度为-1.14mA/cm2，为生长在Si衬底上的InN-In2Se3异质结在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度的1.15倍。综合对比例1、对比例2、对比例3可见，Si衬底上的InN纳米柱/In2O3/In2Se3薄膜结构形成的异质结，可以有效增强InN纳米柱的光电转化效率。
对比例4
一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选择：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；
(2)衬底清洗处理：首先依次用丙酮、无水乙醇清洗衬底，然后用5％HF溶液去除Si衬底上的氧化层；最后用高纯干燥氮气吹干；
(3)Si衬底上InN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底的温度为400℃，衬底转速为10r/min，In束流等效压强为1.9×10-7Torr，氮气流量为2sccm，等离子体源功率为400W，生长时间为2h，在步骤(2)所得Si衬底上生长InN纳米柱，纳米柱的高度为280nm,直径为80nm。
(4)Si衬底上InN纳米柱的表面氧化：将步骤(3)中制备的InN纳米柱外延片送入退火炉，在470℃的大气气氛下退火氧化，氧化时间为24h。
(5)Si衬底上InN纳米柱表面In2Se3薄膜的制备：以1:1比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.25mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤(3)已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取150ml的In2Se3溶液，以500rpm*6s、900rpm*30s、1500rpm*30s的转速甩膜，共甩膜3次。最后再送入退火炉在470℃真空下进行30s快速退火。
测试得到光电流密度-偏压曲线，测试方法与实施例1相同。本对比例制备得到的生长在Si衬底上的InN-ⅥA族异质结光电极在-0.80V vs.RHE偏压时，光电流密度为-0.12mA/cm2。可见，过长的氧化时间，会大幅降低InN纳米柱的光电转化效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结，其特征在于，包括Si衬底、生长在所述Si衬底上的InN纳米柱和生长在所述InN纳米柱上的ⅥA族薄膜；
所述ⅥA族薄膜为In2O3薄膜和In2Se3薄膜；所述In2O3薄膜附着在所述InN纳米柱上，所述In2Se3薄膜附着在所述In2O3薄膜上。
2.根据权利要求1所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结，其特征在于，所述InN纳米柱的高度为250~300 nm, 直径为50~100 nm。
3.根据权利要求2所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结，其特征在于，所述Si衬底为超低阻硅，电阻率小于1 Ω·cm。
4.制备权利要求1-3任一项所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用分子束外延生长工艺在Si衬底上生长InN纳米柱；
（2）将步骤（1）中制备的InN纳米柱外延片在大气气氛下退火氧化，再甩上一层均匀的In2Se3薄膜，得到Si衬底上的InN-ⅥA族异质结；所述退火氧化的温度为100-500℃，退火氧化的时间为10 min~15 h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述退火氧化的温度为470℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述退火氧化的时间为10 min~6 h。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述In2Se3薄膜的制备包括以下步骤：
以1:1~2的体积比例配置水-乙醇混合液，将之作为溶剂配置0.1~1mol/L的In2Se3溶液，用匀胶机将步骤（2）已经完成退火氧化的外延片固定，单次吸取100~200 ml的In2Se3溶液，以400~600 rpm*3~9 s、800~1000 rpm*20~40 s、1400~1600 rpm*20~40 s的转速甩膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在Si衬底上生长InN纳米柱包括以下步骤：
控制Si衬底的转速为5~10 r/min，生长温度为350~450 ℃，In束流等效压强为1×10-7~2.4×10-7 Torr，氮气流量为1~5 sccm，等离子体源功率为200~400 W，生长时间为1~3 h，在Si衬底上生长InN纳米柱；
所述Si衬底选取Si(111)晶面；所述Si衬底要经过清洗处理，首先用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物，然后用HF溶液处理Si衬底以处理表面氧化层，最后用高纯干燥氮气吹干；所述用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物是依次在丙酮、无水乙醇中旋洗，之后用水漂洗干净；所述HF溶液的浓度为5~20 wt%。
9.权利要求1-3任一项所述的一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结在光电解水产氢中的应用。
CN202210467938.9A 2022-04-29 2022-04-29 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用 Active CN114875493B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210467938.9A CN114875493B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210467938.9A CN114875493B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114875493A CN114875493A (zh) 2022-08-09
CN114875493B true CN114875493B (zh) 2023-08-18

Family

ID=82673138

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210467938.9A Active CN114875493B (zh) 2022-04-29 2022-04-29 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114875493B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114921804B (zh) * 2022-04-26 2023-06-20 华南理工大学 一种基于InN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106783948A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 华南理工大学 生长在Si衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法
CN109161850A (zh) * 2018-09-29 2019-01-08 华南理工大学 一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用
CN111074344A (zh) * 2019-12-10 2020-04-28 华南理工大学 一种生长在GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113451108B (zh) * 2020-03-24 2024-06-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种超柔性透明半导体薄膜及其制备方法
CN114657641A (zh) * 2022-02-22 2022-06-24 华南理工大学 一种退火处理的Si基InN纳米柱异质结及其制备方法与应用

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106783948A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 华南理工大学 生长在Si衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法
CN109161850A (zh) * 2018-09-29 2019-01-08 华南理工大学 一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用
CN111074344A (zh) * 2019-12-10 2020-04-28 华南理工大学 一种生长在GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Wafer-Scale InN/In2S3 Core–Shell Nanorod Array for Ultrafast Self-Powered Photodetection;Ben Cao et al.;《Adv. Funct. Mater.》;第32卷;第2110715（1-9）页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114875493A (zh) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. Non-oxide semiconductors for artificial photosynthesis: progress on photoelectrochemical water splitting and carbon dioxide reduction
Hassan et al. High-performance ZnS/GaN heterostructure photoanode for photoelectrochemical water splitting applications
Fan et al. A Monolithically Integrated InGaN Nanowire/Si Tandem Photoanode Approaching the Ideal Bandgap Configuration of 1.75/1.13 eV.
CA2923897C (en) Photocathodes and dual photoelectrodes for nanowire photonic devices
CN101364482B (zh) 一种可见光铟镓氮基光电化学电池制备方法
CN109402653B (zh) 一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用
CN111074344B (zh) 一种生长在GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用
CN114875493B (zh) 一种Si衬底上的InN-ⅥA族异质结及其制备方法与应用
CN114481192B (zh) 一种Cd掺杂的二氧化钛/硫化铟锌光阳极及其制备方法
CN114657641A (zh) 一种退火处理的Si基InN纳米柱异质结及其制备方法与应用
CN111036263B (zh) 一种Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构及其制备方法与应用
CN109161850B (zh) 一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用
CN107845848B (zh) 用于人工光合作用的氮化镓基器件及其制备方法
CN112760668B (zh) 一种基于石墨烯上InGaN纳米柱光电极无偏压光电化学制氢***与应用
CN110165020B (zh) 一种基于CdS/SnO2混合N型层的高效Sb2Se3薄膜电池及其制备方法
CN110747506A (zh) 一种过渡金属掺杂的InxGa1-xN纳米柱及其制备方法与应用
Barruna et al. The effect of CuSCN concentration variations in activated carbon electrode on the perovskite solar cells performance
CN114657534B (zh) 一种基于MoS2上的InN纳米柱及其制备方法与应用
CN112708905A (zh) 一种Z型InGaN/Cu2O纳米柱异质结及其制备方法与应用
CN114540875B (zh) 一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用
CN110655035A (zh) 一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱及其制备方法与应用
CN114318359A (zh) 光电极、光电解水装置和使用其的能量***以及光电解水的方法
CN209507579U (zh) 生长在Ti衬底上的InGaN纳米柱
CN114921804B (zh) 一种基于InN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用
CN211998797U (zh) 一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱

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