Geëtste p-Type Si-nanodraden voor efficiënte ozonafbraak

Resultaten en discussie

Om de oppervlaktemorfologie van Si NW's volledig te begrijpen, werd SEM toegepast om de verkregen monsters te karakteriseren (Fig. 1). Het bovenaanzicht SEM-beeld van de p (100) Si NWs-arrays wordt getoond in Fig. 1a, wat aantoont dat Si NW's uniform zijn verdeeld over het oppervlak van Si-wafels. Figuur 1c toont de doorsnede getekend van p (100) Si NWs-arrays, wat aantoont dat de Si NW's op het oppervlak van het Si-substraat uniform zijn. Opgemerkt wordt dat de n (100) NW's (ongeveer 24,6 m) iets langer zijn dan p (100) NW's (ongeveer 19,0 m), wat wordt veroorzaakt door de relatief hogere etssnelheid. Bij het oxidatie-etsproces worden de siliciumwafels eerst geoxideerd tot siliciumoxide en vervolgens verliest de geoxideerde stof enkele elektronen na te zijn geëtst met HF. N-type siliciumwafels hebben veel meer elektronen dan p-type siliciumwafels. Daarom is de oxidatiesnelheid van n siliciumwafels groter dan die van de p-type siliciumwafels, waardoor de etsreactiesnelheid sneller zal zijn voor n-type en dus zijn de n-type siliciumnanodraden langer dan die van p-type silicium nanodraden binnen dezelfde etstijd. De SEM-afbeeldingen van het bovenaanzicht en de dwarsdoorsnede van n (100) Si NWs-arrays worden getoond in Fig. 1b en d. Het bovenaanzicht van n (100) Si NW's is vergelijkbaar met die van p (100) Si NW's. De twee soorten NW's zijn zowel zeer uniform als dicht, met een vergelijkbare dichtheid van ~ 10 ¹⁰ cm ⁻² .

SEM-afbeeldingen van de katalysatoren:a en c het bovenaanzicht en de doorsnede van p-type Si NW's; b en d het bovenaanzicht en de doorsnede van n-type Si NW's

Voor een beter begrip van de specifieke morfologie van enkel Si NW, worden de TEM-beelden van enkel NW voor p (100) en n (100) getoond in Fig. 2. Het is duidelijk dat zowel p-type als n-type Si NW's relatief glad zijn. oppervlak, met een diameter van respectievelijk 187,9 nm en 184,6 nm. Om de diameterverdeling van Si NW's te krijgen, worden de statistische resultaten op basis van de diameters van 50 Si NW's getoond in de illustraties van respectievelijk Fig. 2a en b. De histogrammen laten zien dat de diameters van p en n (100) NW's voornamelijk in het bereik van 125~175 nm vallen, wat zorgt voor vergelijkbare specifieke oppervlakten (12,68 m ² /g en 13.66 m ² /g), en zorg verder voor een consistente vergelijking van de katalytische prestaties in deze studie. De overeenkomstige HRTEM-afbeeldingen (Fig. 2b en d) laten zien dat de interplanaire afstanden van p- en n-type Si NW's respectievelijk 0, 539 nm en 0, 541 nm zijn, zeer dicht bij de theoretische waarde van 0, 542 nm ((100) roostervlak). Het is gebleken dat zowel p- als n-type Si NW's zich uitstrekken langs de <100> richting, wat consistent is met het geëtste Si-substraat. Het HRTEM-beeld laat ook zien dat er geen duidelijke gaten en defecten zijn in de Si NW's.

TEM- en HRTEM-afbeeldingen van katalysatoren:a en c p-type Si NW's b en d n-type Si NWs-illustraties zijn de normale verdelingen van diameter die overeenkomen met respectievelijk de p (100) NW's en n (100) NW's

De resultaten van de katalytische activiteit van Si NW's worden getoond in Fig. 3, die werden getest door 20 ppm ozon in een luchtvaartmaatschappij bij kamertemperatuur af te breken. Vergeleken met n-type Si NW's, vertonen p-type Si NW's betere katalytische ozonafbraakprestaties met een hoge initiële efficiëntie van ~  99%, en dan neemt de efficiëntie lichtjes af in de tijd en blijft> 90% na 16 h. Wat betreft de katalytische activiteit van n (100) Si NW's, is de initiële efficiëntie ongeveer 96%; de efficiëntie neemt echter relatief snel af en blijft slechts ~  50% na 12  uur testen. De uitstekende katalytische prestatie van p (100) Si NW's wordt gevormd met de regelmaat dat de halfgeleiders met een sterk p-type gedrag hoge prestaties leveren voor ozonafbraak [16]. Met name de p- en n-type Si NW's werden onder exact dezelfde omstandigheden bereid. Ook hebben beide typen Si NW's dezelfde groeirichting, vergelijkbare specifieke oppervlakten en diameterverdeling. Al deze geven aan dat het verschil tussen twee typen Si NW's alleen afkomstig is van hun halfgeleidertype.

een De omzetting van ozon met behulp van p- en n-type Si NW's als katalysatoren; b EPR-detectie van p- en n-type Si NW's; en c Schematische vergelijking van p- en n-type Si NW's. P-type Si is gebrek aan elektronen en heeft positief geladen gaten, en dus het vrijkomen van elektronen en desorptie van O₂ ²⁻ is gemakkelijker dan het geval van n-type Si

Volgens het mechanisme voorgesteld door Oyama et al. [12] het katalytische afbraakproces van ozon kan worden onderverdeeld in de volgende stappen:

Hier staat het symbool * voor een actieve plaats, en de afgiftesnelheid van actieve zuurstof in (3) uit de katalysator bepaalt de algehele snelheid van ozonafbraak. In ons vorige werk zijn de tussenproducten bevestigd aan peroxidesoorten (O₂ ²⁻ ) bepaald met Raman-spectroscopie [10]. De belangrijkste reden voor de hoge katalytische efficiëntie en uitstekende stabiliteit van p-type Si NW's is dat ze meer gedelokaliseerde positief geladen gaten hebben, die gunstig zijn voor het aantrekken van elektronen uit geadsorbeerd O₂ ²⁻ anionen. Vervolgens zijn de tussenliggende zuurstofsoorten gemakkelijk van de katalysator te desorberen, waardoor de actieve plaats weer wordt blootgesteld aan continue ozonafbraak [17]. Dit wordt verder bewezen door de meting van de elektronenspinresonantie (EPR), zoals weergegeven in figuur 3b. Een scherper signaal bij g = 2.0052 wordt gedetecteerd in n-type Si NW's dan die van p-type, wat aangeeft dat de n-type Si NW's meer gesuspendeerde bindingen hebben [18], waardoor ze een sterkere adsorptie-interactie met zuurstofmoleculen hebben . Als gevolg hiervan worden de geadsorbeerde zuurstofmoleculen niet snel gedesorbeerd, die de actieve plaatsen bezetten, wat resulteert in de n-type Si NW's die kwetsbaarder zijn om te worden gedeactiveerd, zoals schematisch weergegeven in Fig. 3c.