[发明专利]一种四角树叶状Cu2O-ZnO复合纳米结构半导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体涉及一种由四角树叶状Cu₂O微米颗粒和ZnO纳米颗粒构造而成的Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料，以及分步合成Cu₂O微米颗粒及ZnO纳米颗粒后将二者复合在一起的制备方法。

背景技术

Cu₂O作为一种常见的直接带隙p型半导体，被广泛应用于太阳能电池、利用太阳光水解析氢、Li离子电池和利用可见光降解有机污染等。ZnO由于其直接带隙，宽禁带(3.3eV，对应约380nm处的近紫外光)，相对大的激子结合能(60meV)，高载流子迁移率并且价格低廉，制备简单等优点，被广泛应用于太阳能电池，气敏传感器，场发射器件等领域。

已经有一些科学家开展了Cu₂O-ZnO基异质结太阳能电池应用方面的研究。然而，由于Cu₂O和ZnO的晶格失配，同时，由于Cu₂O在1000℃以下空气中的相对不稳定性，导致了普通的VLS工艺和水热法不能实现Cu₂O-ZnO基异质纳米结构的合成。目前已合成的Cu₂O-ZnO基异质纳米结构大多采用的是电镀，电化学合成或溅射工艺，而合成的异质界面多为平板结构。这会导致载流子迁移长度不足以及光生电子-空穴对的高复合率等缺陷，从而直接影响异质结系统的太阳光能量利用效率。

因此，亟需一种简便的Cu₂O-ZnO复合纳米结构的制备方法以及具有更高光能利用率的Cu₂O-ZnO异质纳米结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构及其制备方法。

本发明所提供的Cu₂O-ZnO复合纳米结构，是由四角树叶状Cu₂O微米颗粒和ZnO纳米颗粒构在聚乙酰亚胺的辅助作用下复合而成的，Cu₂O基体尺寸一般在1.5～3μm，形状为四角树叶状微米颗粒，其表面复合有ZnO纳米颗粒，颗粒直径在20～40nm。本发明中，Cu₂O微米颗粒具有四角树叶状结构，具体地，该结构是由中心向四个互相垂直的方向延伸，呈四角状，并且其表面呈现类似树叶的脉络结构，故称为四角树叶状。该结构在长宽方向上尺寸为1.5～3μm。

本发明提出一种四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料，包括硅片衬底，及生长在所述硅片上的四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构。其中，所述Cu₂O-ZnO复合纳米结构由Cu₂O微米颗粒和ZnO纳米颗粒组成，所述Cu₂O微米颗粒具有四角树叶状结构，所述ZnO纳米颗粒覆盖在所述Cu₂O微米颗粒表面。其中，所述Cu₂O微米颗粒中心位置具有凹陷，由所述凹陷处向互相垂直的四个方向生长出叶片状之结构的角，其表面具有树叶脉络层状结构。即，Cu₂O微米颗粒由中心向四个互相垂直的方向延伸，呈四角状，并且其表面呈现类似树叶的脉络结构。

本发明四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料中，所述Cu₂O微米颗粒在长宽方向上尺寸为1.5～3μm，所述ZnO纳米颗粒直径为20～40nm。

本发明四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料中，利用水热合成法分别合成Cu₂O微米颗粒和ZnO纳米颗粒，以聚乙烯亚胺作为协助材料使所述ZnO纳米颗粒均匀地复合在Cu₂O微米颗粒上，得到所述四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料。

本发明还提供一种四角树叶状Cu₂O-ZnO复合纳米结构半导体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备Cu₂O微米颗粒

将氯化铜、聚乙烯吡咯烷酮、碳酸钾与柠檬酸钾混合搅拌，待变蓝后加入葡萄糖，于80℃真空反应2小时，冷却后经洗涤、烘干得到四角树叶状Cu₂O微米颗粒。

(2)制备ZnO纳米颗粒

将尿素溶液与氯化锌混合搅拌，经真空140℃下反应6小时，冷却后洗涤，得到ZnO纳米颗粒。