Nanocables de Si tipo p grabados para una descomposición eficiente del ozono

Resultados y discusión

Con el fin de comprender completamente la morfología de la superficie de Si NW, se aplicó SEM para caracterizar las muestras obtenidas (Fig. 1). La imagen SEM de vista superior de las matrices de p (100) Si NW se muestra en la Fig. 1a, que demuestra que los Si NW se distribuyen uniformemente en la superficie de las obleas de Si. La Figura 1c muestra la sección transversal dibujada de las matrices de p (100) Si NW, demostrando que las Si NW en la superficie del sustrato de Si son uniformes. Se observa que los n (100) NW (aproximadamente 24,6 µm) son un poco más largos que los p (100) NW (aproximadamente 19,0 µm), lo que se debe a una velocidad de grabado relativamente más rápida. En el proceso de grabado por oxidación, las obleas de silicio se oxidan primero en óxido de silicio y luego la sustancia oxidada pierde algunos electrones después de ser grabada por HF. Las obleas de silicio de tipo N tienen muchos más electrones que las obleas de silicio de tipo p. Por lo tanto, la tasa de oxidación de n obleas de silicio es mayor que la de las obleas de silicio tipo p, lo que hará que la velocidad de reacción de grabado sea más rápida para el tipo ny, por lo tanto, los nanocables de silicio tipo n son más largos que los del silicio tipo p nanocables en el mismo tiempo de grabado. Las imágenes SEM de la vista superior y de la sección transversal de las matrices de n (100) Si NW se muestran en la Fig. 1b y d. La vista superior de n (100) Si NW es similar a la de p (100) Si NW. Los dos tipos de NW son muy uniformes y densos, con una densidad similar de ~ 10 ¹⁰ cm ⁻² .

Imágenes SEM de los catalizadores: a y c la vista superior y la vista en sección de los Si NW de tipo p; b y d la vista superior y la vista en sección de Si NW de tipo n

Para una mayor comprensión de la morfología específica de Si NW simple, las imágenes TEM de NW simple para p (100) yn (100) se muestran en la Fig. 2. Obviamente, tanto los NW de tipo p como los de tipo n tienen NW de Si relativamente suaves superficie, con el diámetro de 187,9 nm y 184,6 nm, respectivamente. Para obtener la distribución de diámetro de Si NW, los resultados estadísticos basados ​​en los diámetros de 50 Si NW se muestran en las ilustraciones de la Fig. 2a yb, respectivamente. Los histogramas muestran que los diámetros de p y n (100) NW caen principalmente en el rango de 125 ~ 175 nm, lo que asegura áreas de superficie específicas similares (12,68 m ² / gy 13,66 m ² / g), y además garantizar una comparación coherente del rendimiento catalítico en este estudio. Las imágenes HRTEM correspondientes (Fig. 2b yd) muestran que los espaciamientos interplanar de los NW de Si de tipo p y n son 0.539 nm y 0.541 nm, respectivamente, muy cerca del valor teórico de 0.542 nm ((100) plano reticular). Se revela que los NW de Si tanto de tipo p como de tipo n se extienden a lo largo de la dirección <100>, lo que es coherente con el sustrato de Si grabado. La imagen HRTEM también muestra que no hay agujeros ni defectos obvios en los Si NW.

Imágenes TEM y HRTEM de catalizadores: a y c Si NW de tipo p b y d Las ilustraciones de Si NW de tipo n son las distribuciones normales de diámetro correspondientes a los p (100) NW yn (100) NW, respectivamente

Los resultados de la actividad catalítica de los Si NW se muestran en la Fig. 3, que se probaron descomponiendo 20 ppm de ozono en un portador de aire a temperatura ambiente. En comparación con los Si NW de tipo n, los Si NW de tipo p muestran un mejor rendimiento de descomposición catalítica del ozono con una alta eficiencia inicial de ~ 99%, y luego la eficiencia disminuye ligeramente con el tiempo y permanece> 90% después de 16 h. En cuanto a la actividad catalítica de n (100) Si NW, su eficiencia inicial es aproximadamente del 96%; sin embargo, la eficiencia disminuye relativamente rápido y solo permanece ~ 50% después de 12 h de prueba. El sobresaliente desempeño catalítico de p (100) Si NWs consiste en la regularidad de que los semiconductores con fuerte comportamiento tipo p presentan un alto desempeño para la descomposición del ozono [16]. En particular, los NW de Si de tipo p y n se prepararon exactamente en las mismas condiciones. Además, ambos tipos de Si NW tienen la misma dirección de crecimiento, áreas de superficie específicas y distribución de diámetro similares. Todos estos indican que la diferencia entre dos tipos de Si NW proviene solo de su tipo de semiconductor.

un La conversión de ozono usando NW de Si de tipo p y n como catalizadores; b Detección EPR de NW de Si de tipo p y n; y c Comparación esquemática de NW de Si de tipo p y n. Si de tipo P carece de electrones y tiene huecos cargados positivamente y, por tanto, la liberación de electrones y la desorción de O ₂ ²⁻ es más fácil que el caso del Si tipo n

Según el mecanismo propuesto por Oyama et al. [12] el proceso de descomposición catalítica del ozono se puede dividir en los siguientes pasos:

Aquí, el símbolo * representa un sitio activo y la tasa de liberación de oxígeno activo en (3) del catalizador determina la tasa general de descomposición del ozono. En nuestro trabajo anterior, se ha confirmado que los productos intermedios contienen especies de peróxido (O ₂ ²⁻ ) determinada por espectroscopia Raman [10]. La razón principal de la alta eficiencia catalítica y la excelente estabilidad de los Si NW de tipo p es que tienen más huecos cargados positivamente deslocalizados, que son beneficiosos para atraer electrones del O ₂ adsorbido. ²⁻ aniones. Entonces, las especies intermedias de oxígeno son fáciles de desorber del catalizador, exponiendo nuevamente el sitio activo para la descomposición continua del ozono [17]. Esto se demuestra aún más mediante la medición de resonancia de espín de electrones (EPR) como se muestra en la Fig. 3b. Se detecta una señal más aguda en g =2.0052 en los Si NW de tipo n que en los de tipo p, lo que indica que los Si NW de tipo n tienen más enlaces suspendidos [18], lo que hace que tengan una interacción de adsorción más fuerte con las moléculas de oxígeno. . Como resultado, las moléculas de oxígeno adsorbidas no se desorben rápidamente, lo que ocupan los sitios activos, lo que hace que los Si NW de tipo n sean más vulnerables a ser desactivados, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 3c.