Sb2S3纳米线合成和表征

丁 翔， 董 芳

(1.北京有色金属研究总院， 北京 100088； 2.中国民用航空飞行学院洛阳分院， 河南 洛阳 471000)

0 引言

1 实验

1.1 实验材料与反应过程

实验原料是从市场上购买的化学纯的SbCl3、Na2S晶体以及四甲基氢氧化氨溶液.使用时无须进一步提纯.

称量0.002 5 moL SbCl3倒入装有45 mL去离子水的容器中，搅拌15 min后，加入15 mL的四甲基氢氧化氨溶液，继续搅拌15 min，然后加入0.003 75 moL Na2S, 搅拌10 min后把混合溶液倒入80 mL的套有聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，经170±10 ℃密闭加热48 h后，得到黑色悬浮液，多次离心用去离子水冲洗后，最后在空气中晾干，得到黑色Sb2S3纳米线.

1.2 测试和表征方法

电镜制样过程为：取少量样品倒入适量酒精，在超声波处理下分散，然后滴在覆盖有碳膜的铜网上晾干.

2 实验结果与讨论

2.1 Sb2S3纳米线形貌和成分分析

图1是两张样品的电镜照片，显示样品外观形貌.其中图1(a)是一张样品的低倍扫描电镜照片，从图中我们可以看到，样品中含有大量的一维线状物质，这些一维线状物质的长度达到几个毫米，为了进一步说明纳米线的形貌，我们选取其中的一根做透射电镜分析.图1(b)是单根样品的透射电镜照片，从照片中可以看到这单根样品的几何宽度约为60 nm，在电镜操作过程中，我们沿着这根样品的轴向转动样品，发现样品的宽度几乎没有什么变化，这说明样品的轴截面是圆形，样品实质上是纳米线，60 nm实际上是它的直径，我们又大量的选取其他样品做透射电镜实验，发现他们的直径很均匀，分布很窄，几乎都是60 nm左右.图1说明我们合成出了大量的直径约为60 nm的超长纳米线.

(a)样品的扫描电镜照片 (b)单根样品的透射照片图1 样品的电镜照片

为了确定纳米线的化学组成，我们选取单根纳米线做能谱成分分析实验，如图2所示.

图2 单根纳米线EDX能谱

图2是单根纳米线的能谱，从图中可以看到纳米线中只含有S峰和Sb峰，没有其他元素的峰存在，说明纳米线是由S和Sb两种元素组成的.为了进一步确定其化学组成，我们进行了定量EDX分析，发现S和Sb两种元素比例是61∶39 接近于 3∶2，因此纳米线的化学式有可能是Sb2S3，这样从化学成分上可以说明我们合成出来的纳米线是Sb2S3纳米线.

2.2 Sb2S3纳米线晶体结构分析

为了确定纳米线的晶体结构，我们对样品分别做了粉末X-ray射线衍射实验、高分辨像和选区电子衍射实验，用多种途径来确定纳米线的晶体结构.

图3 Sb2S3纳米线粉末X射线衍射花样

为了进一步确定Sb2S3纳米线的晶体结构，我们对单根纳米线做了高分辨像和选区电子衍射实验.

图4 纳米线高分辨像，插图为相应的选区电子衍射花样

2.3 Sb2S3纳米线光吸收特性分析

能带宽度是半导体材料的一个重要物理参数，关于Sb2S3体材料能带宽度有不同的报道，分别有0.92 eV、1.55 eV、164 eV、和1.72 eV, 相差很大.关于Sb2S3纳米材料带隙宽度的报道很少，这里我们利用Sb2S3纳米线光吸收特性估算他的能带宽度.

图5 Sb2S3纳米线紫外-可见光吸收光谱

纳米线的紫外-可见光吸收光谱用来说明纳米线的能带信息，图5是Sb2S3纳米线的紫外-可见光吸收光谱，因为前面的系列实验包括EDX成分分析实验、X射线衍射实验、高分辨像和选区电子衍射实验，从成分和结构上说明我们的纳米线样品是很纯粹的、单一的Sb2S3正交相，因此我们基本上可以排除杂质干扰，认为这张实验光谱能够真实的反应纳米线的光吸收特性.从上图我们可以看到，纳米线的最强吸收峰值在波长约为800 nm 的光波处，根据下面经验公式：

这里hv是相应的光子能量，α是吸收系数，Eg是带隙宽度，从这个公式中我们可以推算出Eg≈1.5 eV.

3 结束语

通过SbCl3与Na2S在四甲基氢氧化氨水溶液中水热反应制备出了大量直径约为60 nm,长度可达到几个毫米单晶Sb2S3纳米线，纳米线是沿着[001]方向生长的.

纳米线紫外-可见光吸收实验显示，纳米线主吸收峰在波长为800 nm的波段，可以推算出Sb2S3纳米线带隙宽度Eg≈1.5 eV.

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