[发明专利]纳米硫化铅镉材料的物理制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料的制备领域，具体涉及的是一种纳米材料硫化铅镉(Cd_1-xPb_xS)的物理制备方法。

背景技术

在过去的二十年，半导体纳米由于其独特的尺寸依赖的光学性能和广泛应用的潜能而得到越来越多人的关注。用二元半导体的材料来合金化成三元合金可以形成新一类半导体，这类半导体的晶格参数、能隙宽度和其他物理性能参数在特定的范围内可以通过化学成分的变化达到连续调谐。

近年来，PbS受到很大关注。PbS跃迁带隙能量很窄（E_g=0.27eV），激子玻尔半径大（18nm），有学者通过化学方法将它与其它的二元硫化物一起合金化成能隙可调的三元半导体，达到了在宽波长范围的能隙调节。如最近，硫化铅镉纳米晶体和混合的薄膜结构显示出的光学和光电性能可调性优点而得到了广大关注。然而在室温和常压下两种硫化物（CdS和PbS）的溶解度很低，如纤锌矿结构的CdS在岩盐结构的PbS的溶解度约为0.017%，而在室温下将大量CdS溶入PbS中形成固溶体，从热力学角度来讲是不可行的，因为在常规制备条件下其有可能会在亚稳状态时凝固。对由淬火、高温固态反应制备的亚稳态Cd_1-xPb_xS进行退火，与由化学浴沉积法制得的Cd_1-xPb_xS薄膜一样，会导致如热力学预期的相分离。通过湿化学方法制备的Cd_1-xPb_xS纳米晶体在x=0.3～1时光发射峰位于近红外波长区域，且伴随着x的变化能隙量的变化非常小。除此之外，通过湿化学法制备的Cd_1-xPb_xS纳米晶体的晶格参数几乎不随着x值变化而改变，表明化学方法制备的Cd_1-xPb_xS纳米晶体成分不均一，并没有形成单相结构的Cd_1-xPb_xS纳米晶。所以采取一种代替的物理方法来制备表面干净而且化学组成单一的合金硫化铅镉纳米晶显得尤为重要，机械合金化就是这样一种可批量生产表面清洁且组成单一的半导体纳米晶体的物理方法。

发明内容

本发明所要解决的上述问题是针对上述现有技术而提供一种物理方法——机械合金化方法，通过调节反应物组成即可合成表面清洁、均质组成的三元Cd_1-xPb_xS纳米晶体，合成的纳米晶的晶格常数和能隙均连续可调，其能隙可由近红外(860nm)连续调谐到中红外(2638nm)，且化学组分均匀、结构单一。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：纳米硫化铅镉材料的制备方法，包括有以下步骤：

1）将高纯镉、铅和硫元素粉末的混合物作为原材料密封在球磨罐中，其中镉与铅之和与硫的摩尔比为(1±0.1):(1±0.1),而镉与铅的摩尔比为从0到1中的任何值，球磨罐中同时装入不同直径大小的球磨子；

2）将密封后的球磨罐放入在手套箱里，然后打开球磨罐盖，向球磨罐内充满惰性气体，以除去原材料中的氧气；

3）将密封好的球磨罐安装在球磨磨机上开始球磨，使元素粉末机械合金化成所需的半导体化合物或纳米晶；

4）在球磨的不同的时间间隔,将球磨罐置于在手套箱内，提取少量球磨的粉体以进行结构和光学性能测试。

按上述方案，所述的纳米硫化铅镉的分子式为Cd_1-xPb_xS，其中x=0～1。

按上述方案，所述的纳米硫化铅镉的能隙可以从2638nm连续调谐变化到860nm。

按上述方案，所述的高纯镉的纯度为99.9%、铅的纯度为99.9%和硫的纯度为99.9%。

按上述方案，所述的球磨子直径为2-12毫米，球磨子与原材料的质量比设定为1:1～30:1。

按上述方案，所述的球磨机为美国SPEX SpamplePrep公司的SPEX8000。

按上述方案，步骤3）所述的球磨时间为0.5-40小时。

在不同球磨时间球磨粉末的结构演变是通过Rigaku粉末X射线衍射仪以及JEOL2100F高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)来观察的。球磨粉末的光谱是使用日本岛津公司带有ISR3100积分球附件的UV3600紫外-可见-红外光谱仪测试的。