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电沉积制备半导体纳米材料 * 目录 引言 电沉积纳米材料的制备方法及原理 电沉积法制备半导体CdS纳米膜 应用及展望 参考文献 * 引言 长期以来,电沉积合金主要是研究晶体物质, 通常认为是相对比较宏观的物质。 电沉积纳米晶技术则是研究几个纳米到100nm以内的微细晶粒材料的技术。研究纳米晶合金的特性,并开发其应用是目前纳米材料研究的重要方向。用电沉积法制备纳米材料给这项技术注入了新的内涵。 * 目前,对电沉积纳米合金技术进行了很多研究,用电沉积方法已制备了多种类型的纳米合金,据不完全统计已超过40种。 电沉积法制备的纳米合金 铁族金属与非金属元素构成纳米合金，如纳米Ni-P合金； 铁族金属和金属元素构成的纳米合金,如纳米Zn-Ni合金； 半导体纳米合金,如纳米Pb-Se合金； 其他纳米合金, 如纳米Pt-Pb 合金 引言 * 引言 电沉积制备纳米晶合金的主要优点 1) 电沉积层具有独特的高密度和低孔隙率,结晶组织取决于电沉积参数,就能精确地控制膜层的厚度、化学组分、晶粒组织、晶粒大小和孔隙率等。 2) 适合于制备纯金属纳米晶膜、合金膜及复合材料膜以及粉、管、线、棒、板。 3) 电沉积过程中过电势是主要推动力,容易实现电沉积,工艺灵活,易转化。 4) 可在常温常压下操作,节约能源,并可避免高温引入的热应力。 5) 电沉积易使沉积原子在单晶基质上外延生长,易得到较好的外延生长层。 6) 有很好的经济性和较高的生产率,初始投资低。 * 电沉积纳米材料的制备方法及原理 电沉积是一种电化学过程,也是氧化-还原过程,它研究的重点是“阴极沉积”。为了得到纳米晶,在镀液中加入适量的晶粒细化剂是非常有利的,通常加入的细化剂有糖精、十二烷基磺酸钠、尿素等。 电沉积纳米晶材料是由两个步骤控制: (1) 形成高晶核数; (2) 控制晶核的成长。以上两个条件可以由控制化学和物理参数来实现,晶核的大小和数目可由过电势η来控制。可由Kelvin 电化学公式来表示: 式中: r 表示临界晶核形成的半径;δ表示表面能量;η为过电势, V 表示晶体中原子体积; z 表示元电荷数; e0 表示元电荷。 η ↑，r↓ * 电沉积纳米材料的制备方法及原理 常用制备 纳米晶的 电沉积方法 直流 电沉积 脉冲 电沉积 复合 电沉积 喷射 电沉积 超声波 电沉积 电刷镀 * 电沉积纳米材料的制备方法及原理 直流电沉积法 研究表明,在电沉积过程中采用↑阴极过电势、 ↑吸附原子总数和↓吸附原子表面迁移率是大量形核和减少晶粒生长的必要条件。 成核速率用J表示,则: 式中,K1为速率常数; b为几何指数;S为1个原子在晶格上占的面积;ε为边界能量; kB为波茨曼(Boltzmann)常数; e为电子电荷;z为离子电荷数;T为绝对温度;η为过电势。 由上式可知,过电势η对成核速率有极大的影响。 * 电沉积纳米材料的制备方法及原理 而塔菲尔(Tafel)公式表明影响过电势的主要因素是电流密度。 　 Tafel公式：　η=α+β lgi 式中,α和β是常数, i是电流密度 当电沉积的电流密度i ↑时,过电势η ↑, ↑成核速率J。从而可知,生成纳米晶的重要电化学因素,就是有效地提高电沉积时的电流密度及过电势。 * 电沉积纳米材料的制备方法及原理 获得纳米晶常采用的工艺措施 （1）采用适当高的电流密度 随着电流密度↑,电极上的过电势↑,使形核的驱动力↑,沉积层的晶粒尺寸↓ 。 （2）采用有机添加剂 结晶细化剂的作用，一方面,添加剂分子吸附在沉积表面的活性部位,可阻止晶体的生长。另一方面,析出原子的扩散也被吸附的有机添加剂分子所抑制,较少到达生长点,优先成核。 * 电沉积制备半导体CdS纳米膜 CdS是典型的半导体, 它在光催化、光电转换、光化学转换等方面具有诱人的应用前景，因此它的制备也备受关注；普通电沉积方法沉积薄膜的基材兼作电极制备硫化镉纳米膜，存在着有害的电极反应。 本实验的优点 1）使薄膜的制备简单易行，薄膜的性能更加可靠，成本得以降低； 2）纳米膜可以与基底分离并独立存在； 这些优点预示着电沉积方法制备的CdS纳米膜在半导体纳米器件上将有广阔的应用前景。 * 电沉积制备半导体CdS纳米膜 实验过程 所用试剂： CdCl2：CH3CSNH2=1:1 表面活性剂和氯仿。 如右图连接电路，采用直流稳压电源进行恒压电化学沉积,将得到的薄膜转移到洁净的基底上；在空气干燥一段时间，依次用丙酮、二次蒸馏水清洗、干燥。 实验装置 CdCl2+ CH3CSNH2 * 电沉积制备半导体CdS纳