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转让专利
申请号 : CN201911259096.2
文献号 : CN111036263B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 李国强 , 林静 , 余粤锋 , 张志杰
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:包括Si衬底、生长在Si衬底上的InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合材料;
所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构的方法,包括以下步骤:(1)衬底的选择:采用Si衬底,选取Si(111)晶面;并对Si衬底进行退火处理,以获得重构的表面;
(2)Si衬底上InGaN纳米柱的生长:采用分子束外延生长工艺,控制步骤(1)所得衬底的温度为450 980℃,衬底转速为5 10 r/min,Ga束流等效压强为1.0×10-8 1.5×10-7 Torr,~ ~ ~
-8 -7
In束流等效压强为1.0×10 5×10 Torr,氮气流量为1 5sccm,等离子体源功率为200~ ~ ~
400 W,生长时间为1 5h,在步骤(1)所得衬底上生长InGaN纳米柱;
~
(3)InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子的制备:采用电子束蒸发工艺,在步骤(2)所得InGaN纳米柱表面分别负载Ti-Ni纳米粒子,具体如下:在腔室中,设置(2)中的InGaN纳米柱转速为10-50r/min,Ti沉积速率为0.2 0.5Å/s 在InGaN纳米柱表面沉积30 300Å的Ti,然后设置~ ~
Ni沉积速率为0.2 0.5Å/s 在InGaN纳米柱表面沉积30 300Å的Ni,得到InGaN纳米柱@Ti Ni~ ~ ~
纳米粒子复合材料。
2.根据权利要求1所述生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:生长在Si衬底上的InGaN纳米柱的高度为50 2000 nm,直径为15 200 nm。
~ ~
3.根据权利要求1所述生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:所述InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合材料是一维的InGaN纳米柱表面负载零维Ti-Ni合金纳米粒子的多维复合结构,其中Ti-Ni纳米粒子粒径为10~80nm。
4.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:步骤(1)所述Si衬底为超低阻硅,电阻率小于1Ω·cm。
5.根据权利要求1或4所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:步骤(1)所述退火处理为在900~980℃下加热10~30 min。
6.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:步骤(3)所述电子束蒸发过程中,腔室背景压力2 8×10-4 Pa。
~
7.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构,其特征在于:
步骤(1)对Si衬底进行退火处理前,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;最后用氮气吹干。
8.根据权利要求1所述的生长在Si衬底上InGaN纳米柱@Ti-Ni纳米粒子复合结构在光电解水产氢中的应用。
说明书 :
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
技术领域
背景技术
在地球上的储量却很有限,能源危机已经成为当前人类亟待解决的问题。氢气正是这样一
种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时,人们期待的新的二次能源。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,是目前制备氢气最有前景的手段之一。在光的作用下将水分解成氢气和氧气,
关键在于找到一种合适的催化剂。
其次,InGaN纳米柱自身比表面积大,能增强光吸收,能提供更多的反应活性位点。更重要的
是纳米柱结构导致载流子迁移距离缩短,有利于快速地光电解水产氢;因此,InGaN纳米柱
是理想的光电解水制氢材料。然而,由于InGaN纳米柱本身的载流子复合严重,以及超高的
表面态导致其光生载流子在表面累积,大大降低了载流子注入效率,从而限制了其光电转
换性能。
同时,双金属助催化剂可以修饰主催化剂的电子和价带结构,这样的纳米复合结构大大增
强了对半导体表面光子的俘获;另外,贵金属纳米粒子修饰半导体在异质界面处产生的肖
特基势垒可以促进光生电子空穴对的有效分离。因此InGaN纳米柱与双金属纳米颗粒的复
合催化剂在光电解水中具有重用的应用前景。目前,双金属纳米颗粒助催化剂主要是贵金
属,如铂-银、铂-铜、铂-钯和铂-金等助催化剂。然而这类助催化剂成本高,制备工艺复杂,
大大限制了其使用,因此开发新型、低成本的双金属助催化剂对实现InGaN纳米柱光解水制
氢意义重大。
发明内容
协同效应,能增强InGaN纳米柱光生载流子分离与转移,显著提高InGaN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。
7Torr,In束流等效压强为1.0×10-8~5×10-7Torr,氮气流量为1~5sccm,等离子体源功率
为200~400W,生长时间为1~5h,在步骤(3)所得衬底上生长InGaN纳米柱;
片转速为10-50r/min,Ti沉积速率为 在InGaN纳米柱表面沉积 的Ti,
然后设置Ni沉积速率为 在InGaN纳米柱表面沉积 的Ni,得到InGaN纳
米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料。
骤(1)所述用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物为依次在丙酮、无水乙醇中旋洗,之后
用水漂洗干净;所述HF溶液溶度为5~20%;
率,更有利于光生电子、空穴分别去参与析氢、析氧反应。
米柱的光电转换效率。
附图说明
具体实施方式
为5×10-7Torr,氮气流量为2sccm,等离子体源功率为400W,生长时间为3h,在步骤(3)所得
衬底上生长InGaN纳米柱,纳米柱的高度为450nm,直径为50nm,InGaN纳米柱In含量为46%;
片转速为20r/min,待腔室背景压力为2×10-4Pa时,设置Ti沉积速率为 在InGaN纳米
柱表面沉积 的Ti,然后设置Ni沉积速率为 在InGaN纳米柱表面沉积 的Ni,
得到InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料。InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料中Ti
~Ni纳米粒子负载量约为5%(金属原子质量百分比)。
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
极作为阳极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt线作为阴极,以及300W Xe灯(光强度~
100mW/cm2)作为光源,测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的InGaN纳米柱@Ti
~Ni纳米粒子复合材料基光电极在1.0V vs.SCE偏压时,光电流密度为8.2mA/cm2,偏压光
电转换效率(ABPE)为2.2%。
为1.0×10-8Torr,氮气流量为5sccm,等离子体源功率为400W,生长时间为3h,在步骤(3)所
得衬底上生长InGaN纳米柱,纳米柱的高度为350nm,直径为60nm;InGaN纳米柱In含量为
5%。
片转速为50r/min,待腔室背景压力为5×10-4Pa时,设置Ti沉积速率为 在InGaN纳米
柱表面沉积 的Ti,然后设置Ni沉积速率为 在InGaN纳米柱表面沉积 的Ni,
得到InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料。InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料中Ti
~Ni纳米粒子负载量约为15%(金属原子质量百分比)
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
极作为阳极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt线作为阴极,以及300W Xe灯(光强度~
100mW/cm2)作为光源,测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的InGaN纳米柱@Ti
~Ni纳米粒子复合材料基光电极在1.0V vs.SCE偏压时,光电流密度为15mA/cm2,偏压光电
转换效率(ABPE)为4.6%。
2.0×10-7Torr,氮气流量为5sccm,等离子体源功率为400W,生长时间为3h,在步骤(3)所得
衬底上生长InGaN纳米柱,纳米柱的高度为250nm,直径为70nm;InGaN纳米柱In含量为25%。
片转速为50r/min,待腔室背景压力为8×10-4Pa时,设置Ti沉积速率为 在InGaN纳米
柱表面沉积 的Ti,然后设置Ni沉积速率为 在InGaN纳米柱表面沉积 的
Ni,得到InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料。InGaN纳米柱@Ti~Ni纳米粒子复合材料
中Ti~Ni纳米粒子负载量约为25%(金属原子质量百分比)。
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
极作为阳极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt线作为阴极,以及300W Xe灯(光强度~
100mW/cm2)作为光源,测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的InGaN纳米柱@Ti
~Ni纳米粒子复合材料基光电极在1.0V vs.SCE偏压时,光电流密度为32mA/cm2,偏压光电
转换效率(ABPE)为5.1%。
均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。