一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱制造技术

本实用新型专利技术公开了一种二维MXene功能化的InxGa1‑xN纳米柱。该二维MXene功能化的In

【技术实现步骤摘要】
一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱
本技术涉及InxGa1-xN纳米柱、能源与催化领域，特别涉及一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱。
技术介绍
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，是解决目前的能源危机最为有前景的手段之一。近年来，三元化合物半导体InxGa1-xN纳米柱在PEC分解水中具有重要的应用前景，主要由于InxGa1-xN带隙从0.68eV到3.4eV可调，可实现宽光谱范围内的光电解水；另外InxGa1-xN电子迁移率大，导电性强，能有效降低光解水的成本；其次，InxGa1-xN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。然而，InxGa1-xN纳米柱生长主要基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石1014Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)、成本高等问题。另外比如单晶Si作为衬底时，生长的InxGa1-xN纳米柱与Si衬底之间会形成SiNx绝缘层。该绝缘层不仅会增大载流子输运电阻；同时当InxGa1-xN纳米柱电极在电解质中进行光电解水，该绝缘层容易被刻蚀掉，使得InxGa1-xN纳米柱会发生严重的光腐蚀，造成光电性能显著降低。目前，主要采用功函数较大的金属层来降低界面阻抗，然而该金属层往往会带来表面态，引起载流子的复合[EbaidM,MinJW,ZhaoC,etal.WatersplittingtohydrogenoverepitaxiallygrownInGaNnanowiresonametallictitanium/silicontemplate:reducedinterfacialtransferresistanceandimprovedstabilitytohydrogen[J].JournalofMaterialsChemistryA,2018,6(16):6922-6930.]。因此寻找一种能降低衬底界面电阻、提高InxGa1-xN纳米柱光电极光电性能稳定性，对InxGa1-xN纳米柱光电解水制氢意义重大。自2011年首次发现了MXene(Ti3C2)材料，MXene作为一种新型过渡金属碳化物或氮化物被广泛应用在能源存储、转换等多个领域。MXene化学式为Mn+1XnT,(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素，T为-OH、-F、-O等活性官能团)。该材料主要通过酸性刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得，具有优异的电化学与化学反应性。同时，该材料为二维晶体结构，表面富含活性官能团，是实现新结构、高性能纳米催化剂的优良载体。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱及其制备方法与应用。二维MXene有效降低了纳米柱与衬底表面之间的较大阻抗，能显著提高InxGa1-xN纳米柱的光电转换效率，同时使用稳定性增强；另外，该制备方法克服了衬底的单一选择性，降低成本、工艺简单，能耗低，省时高效。本技术的目的通过以下技术方案实现。一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，包括衬底、衬底上的MXene层、生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱；其中0≤x≤1，将满足InxGa1-xN纳米柱；其中0≤x≤1的材料定义为InxGa1-xN纳米柱。进一步地，所述衬底为Si或FTO衬底。进一步地，所述MXene为Ti3C2、V2C、Ta4C3、MoC3、Ti3CN等二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物其中一种或两种。进一步地，所述衬底上的MXene层厚度为3nm～200nm。进一步地，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱包括GaN纳米柱、InGaN纳米柱、InN纳米柱、InGaN/GaN核/壳结构纳米柱、InN/InGaN核/壳结构纳米柱中的一种或多种。进一步地，所述生长在MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的高度为50～2000nm,直径为15～500nm。以上所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底上的MXene层的制备：采用提拉浸渍法、旋涂法或喷涂法在衬底上镀MXene膜，干燥后放入分子束外延(MBE)反应室中，在700～900℃下对MXene膜进行退火处理，以获得洁净的表面，得衬底/MXene；(2)MXene层上的InxGa1-xN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制步骤(2)所得衬底/MXene的温度为450～980℃，衬底/MXene转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1.0×10-8～1.5×10-7Torr，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(2)所得衬底/MXene层上生长InxGa1-xN纳米柱。进一步地，步骤(1)所述衬底在镀MXene膜前进行表面处理，包括先进行等离子处理或酸碱性溶液刻蚀，然后用超纯水进行超声清洗，再用高纯氮气吹干；所述等离子处理的时间10～30min；所述酸碱性溶液为BOE溶液或Piranha溶液，刻蚀时间为1～5min。进一步地，步骤(1)所述干燥为真空干燥，干燥温度为50～65℃，干燥时间10～30min；所述退火的时间为10～30min。以上所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱在光电解水产氢、光电探测器、太阳能电池中的应用。与现有技术相比，本技术具有以下优点和有益效果：(1)本技术使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，可以扩大衬底的选择，避免了因选择了与InxGa1-xN晶格失配度大的导电性好、价格便宜的衬底材料而造成生长的纳米柱晶体质量差，降低了制备成本。(2)本技术使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，生长出的纳米柱晶体质量大大提高，比表面积大，大幅降低了载流子非辐射复合的概率，增加了光吸收范围，并且增大了半导体/电解液的界面反应面积，从而使得InxGa1-xN纳米柱光电转化效率大幅度提高。(3)本技术使用MXene作为InxGa1-xN纳米柱生长的介质层，增加了光电极的导电性，增强了载流子输运机制。(4)本技术使用MXene作为衬底与InxGa1-xN纳米柱之间的电子传输层，大大降低了衬底与纳米柱之间的阻抗，加快了衬底与纳米柱之间的电子转移速率，从而大大提高了InxGa1-xN纳米柱光电解水的光电转换效率。(5)本技术一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，因衬底与纳米柱之间SiNx绝缘层的消除，催化剂表现出优异的化学稳定性，使得光电稳定性大大提高。(6)InxGa1-xN纳米柱通过调节In组分，其带隙在0.67-3.4eV范围可调，可实现在可见光光谱范围内光电解水产氢，提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维MXene功能化的In

【技术特征摘要】
1.一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，包括衬底（1）、衬底（1）上的MXene层（2）、生长在MXene层（2）上的InxGa1-xN纳米柱（3）；其中0≤x≤1。


2.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述衬底为Si或FTO衬底。


3.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述MXene为Ti3C2、V2C、Ta4C3、MoC3、Ti3CN中的一种。


4.根据权利要求1所述的一种二维MXene功能化的InxGa1-xN纳米柱，其特征在于，所述衬底上的MXene层厚度为3nm~2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，林静，余粤锋，张志杰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44