一维硫化铋纳米微米结构的合成及性质研究-物理学专业论文.docx

摘要作为一个非常重要的主族金属硫化物，硫化铋的直接带隙为 1.3eV，在很多领 域里有着潜在的应用，比如光电转化、热电、电化学储氢等。本论文合成了一维 硫化铋纳米线和纳米带，测试了材料的晶体结构和形貌，并研究了一维结构下硫 化铋材料的热电、光电和光催化性质。主要研究工作及内容概括如下：利用复合盐媒介法，通过调节反应温度、生长时间和添加的水量，成功制备 了不同形貌的斜方晶系硫化铋纳米材料，并且得到了长度在 20μm 以上的高结晶度 硫化铋纳米线。我们测试了纳米片与纳米线的混合形貌样品（P1）、纳米线形貌样 品（P3）和纳米片形貌样品（P8）的光学带隙，并将三个样品压制成膜，测试了 三个样品的表面形貌、表面电阻率和 Seebeck 系数。从结果上得出，硫化铋纳米线 压制而成的薄膜样品的功率因数要高于另外两个样品，这得益于其低于其他样品 的电阻率和高的 Seebeck 系数。并进一步论证出，纳米线薄膜样品较低的电阻率是 由于其高的载流子浓度，高的迁移率是由于其高的取向度和结晶度。薄膜中的纳 米线结构在 a-c 和 b-c 平面为电子提供了快速的传输通道（电子晶体），同时也在 这两个平面和纳米线晶粒的界面之间产生有效的声子散射（声子玻璃）。除此之外， 大量小尺寸晶粒晶界的引入也会对声子产生明显的散射作用，同时由于界面势能 的作用，也会过滤掉低能量的电子，从而增强 Seebeck 系数。②利用光刻与磁控溅射技术，制备出了以 SiO2/Si 为基底的微米金电极，在光学显微镜下，用韧性的细丝将纳米线搭在两电极之间，成功获得了两个单根硫化 铋纳米线电极。对其中一个电极，利用扫描电镜中的聚焦粒子束（FIB）技术，沉 积了 Pt 在纳米线与电极的接触点上，消除电极的肖特基势垒。另一个单根电极不 做处理，作为对比电极。此外，利用同一批生长出的纳米线压制成薄膜，用导电 玻璃(FTO)与硫化铋薄膜制备了三明治结构的 FTO/Bi2S3/FTO 薄膜电极，并测试了 三个电极的光电性质。在室温大气的环境下，我们用氙灯光源测试了两个单根纳 米线电极的光电性质，两个电极都展示了高灵敏的、可周期性循环的光电响应， 其中沉积了 Pt 的电极展示出了更好的电流稳定性，而未沉积 Pt 的电极则展示出了 更快的响应速度。另外，相比于纳米线压制而成的薄膜电极，两个单根电极均展 示出了更好的光电性能。结果表明单根硫化铋纳米线制备的电极可以被用作光电 探测器或者光开关。③以硝酸铋与硫代硫化钠为溶质，丙三醇和去离子水的混合溶液为溶剂，氢 氧化钠为调节剂，制备出了长度可达到几毫米的斜方晶系硫化铋纳米带。通过扫 描电镜对样品的形貌观察，我们发现所制备的样品为纳米线和纳米带的混合物，其直径范围从 100 纳米到几微米左右。进一步研究发现，样品中很多纳米带是由更细小的纳米线或者纳米带聚合在一起生长而成。为了更好的了解纳米带的结构 信息，我们对样品做了透射电镜分析，从透射电镜测试中，找到了两根正在聚合 生长的纳米带，并对分叉点做了高分辨分析。通过去噪声处理，得到了更加清楚 的晶格条纹图，从图中观察到了交点处的晶格排列信息，对样品的生长有了更直 观清晰的认识。利用化学法，制备出了 CdS/Bi2S3 异质结结构，测试了制备的异质 结样品对亚甲基蓝的光降解性能。经过 7 个小时以上的光降解处理，CdS/Bi2S3 异 质结结构降解了 85%的亚甲基蓝，说明其具有较好的光降解能力。关键词：一维结构硫化铋，热电，光电，光催化ABSTRACTAs an important member of the main group metal chalcogenides, Bi2S3’s band gap is 1.3eV, which has many potential applications, such as photovoltaic converters, thermoelectric generation, and electrochemical hydrogen storage and so on. In this paper, we have successfully synthesized one dimensional Bi2S3 nanowires and nanobelts, and examined their crystalline structure and morphologies, and also made a research on their properties of thermoelectric, photoelectric and photocatalytic degradation. We abstract the main content of this d