POVRCHŮ, ROZHRANÍ A TENKÝCH vrstev

Analýza chemické lázni a jeho vliv na fyzikální vlastnosti Cd/ITO tenké filmy

S. Herrera, C. M. Ramos, R. Patiño, J. L. Pena; W. Cauich; A. I. Oliva

Centra pro Výzkum a Pokročilé Studie IPN Jednotky Merida, Oddělení Aplikované Fyziky. AP. 73-Cordemex, 97310 Mérida, Yucatán, Mexiko

ABSTRAKT

sulfidu Kademnatého (CdS), tenké filmy uloženy na indium oxidu cínu (ITO), substráty byly připraveny chemickou koupel technika depozice při různých hodnotách pH a pNH3. Toto bylo provedeno za účelem analýzy vlivu počátečního chemického složení lázně na některé fyzikální vlastnosti konečných filmů CdS, používaných jako optická okna pro solární články. Mechanismus navrhovaný v literatuře pro tuto výpověď zahrnuje tetra-amonný kadmia (II) komplex, Cd(NH$_{3})_{4}^{2+}$, na začátku reakce. Po tomto mechanismu změna v koncentraci Cd(NH$_{3})_{4}^{2+}$ dává variace v rychlosti depozice s odpovídající změny v kvalitě filmu. Proto, převaha pásma schéma Cd2 + druhy v roztoku jako funkce hodnoty pH a pNH3 byl použit k analýze důvodů, proč Cd/ITO tenké filmy jsou oblíbené jen v úzkém rozmezí amonný a sodný koncentrace. Chcete-li získat užitečné filmy, výsledky ukázaly, že nízké koncentrace amonných třeba zabránit při vysokých hodnotách pH, jakož i vysoké koncentrace amonných při nižších hodnotách pH.

Klíčová slova: Chemické vana analýzy; Kadmium sulfid; Polovodičové film; Převaha diagramy

ÚVOD

sulfid Kadmia (CdS) je vynikající materiál, používají se polovodičové telurid kadmia, pro výrobu solárních článků vzhledem k jeho optimální band gap energie (2.42 eV) pro optický systém windows . Chemické vana depozice (CBD) je zkušený a široce používaná technika v průmyslu a v oblasti výzkumu pro Cd tenkých vrstev depozice na rychlý, jednoduchý a low-cost způsob . Složení chemické lázni a kinetika depozice byly hlášeny v literatuře taková, že nyní velmi známé funkční recepty jsou obvykle používané pro Cd filmy přípravy v závislosti na chemické sloučeniny, vybrané pro Cd a S ionty výroby. V tradiční recept, kadmium sůl se rozpustí v základní amonný řešení, míchá a zahřívá během thiomočovina toho, který začíná film depozice na indium thin oxide (ITO), plochy přes sklo. Tímto způsobem bylo vyvinuto několik úsilí o změnu teploty, koncentrace chemických složek, pH a rychlosti a typu míchání v lázni. Ačkoli byla hlášena kinetika depozice, studie fyzikálních vlastností dosažených na CDs filmech jako funkce koncentrace chemické lázně jsou v literatuře vzácné. Důležitým požadavkem Cd filmy pro solární články aplikace je hladký povrch a menší množství pahorků produkován na povrchu po přípravě, který se přidá k optimální tloušťka pro lepší funkčnost. V této práci, analytické studie převládající kadmium druhů v závislosti na NH3 a OH – koncentrace dát optimální podmínky chemického složení pro dosažení různých vlastností na uložené filmy.

II. teorie

je dobře známo vliv pH a NH3 na stabilitu různých druhů Cd2 + v roztoku. Kadmium (II) ionty tvoří řadu komplexů s amonný a sodný, podle následující rovnice:

bn,L stability konstanta odpovídající reakce. Komplexy mohou být tvořeny s sodný ion (L = OH – , n = 1 až 4), amonný (L = NH3, n = 1 až 6), a to i s thiomočovina (L = SC(NH2)2, n = 1 až 4), i když tyto poslední komplexy jsou méně stabilní a obvykle nejsou považovány za zasahovat do mechanismu reakce a výpovědi filmu . V souladu s tímto mechanismem, komplex je adsorbována na povrch jako Cd(OH)2 před reakcí s thiomočovina tvoří Disků s filmem. Pokud je kinetika depozice změněna, je možné změnit fyzikální vlastnosti filmů CdS. Přiměřeně způsob, jak řídit tyto změny je prostřednictvím pH a pNH3 změny test relativní kadmium druhů v roztoku, v souladu s konstanty stability. To lze snadno vizualizovat pomocí diagramů převládajících zón, které byly testovány jako užitečné v analytické chemii . V souladu s touto metodou zobecněné druhy a rovnováhy, stability konstanty hlášeny při pokojové teplotě byly použity k detekci chemických zóna, ve které převládá jako aproximace podmínek při teplotě depozice. Další podrobnosti k získání tohoto diagramu najdete jinde . Tak, Obr. 1 je schéma získat pro Cd(II) species v roztoku jako funkce pH a pNH3, zobrazení povrchu, kde komplexu je přítomen v koncentraci vyšší než 50% celkového Cd(II) v roztoku. Řádky definují specifické zóny, ve kterých je přítomen pro polovinu koncentrace kadmia. Povrchy kolem této zóny jsou ty, týkající se jiných převládající druh kadmia v roztoku: plocha je pro , oblast b je , oblast g je pro a oblast d je .

hraniční čáry jsou odvozeny z konstant stability a mění se s teplotou; diagram však může být užitečný pro analýzu vlivu pH a pNH3 na kvalitu nanesených filmů. V této práci je testována variace počátečních podmínek pH a pNH3, aby se pochopily fyzikální vlastnosti filmů CdS uložených CBD. Očíslované body na obr. 1 představují šest experimentálních podmínek použitých k uložení filmů CdS do optimální zóny pro pevné množství kadmia a thiomočoviny.

III. experimentální

CD filmy byly připraveny za různých podmínek chemické lázně kolem stanovené optimální zóny (tj. různé hodnoty pH a koncentrace amoniaku). Každý chemické lázni byl získán smícháním čtyři individuální řešení: 20 ml 0,02 M chlorid kademnatý, 20 ml dusičnanu amonného (3.3, 3.1, 2.2, 5.5, 5.5 a 1.8 M, respektive), 50 ml hydroxidu draselného (1.3, 1.2, 0.8, 2.1, 2.1 a 0,7 M, respektive) a 20 ml 0,2 M thiomočovina. Počáteční koncentrace chemické v depozice lázni po smíchání jednotlivých řešení jsou uvedeny v Tabulce I. Jak je vidět, chlorid kademnatý a thiomočoviny koncentrace se pohybovala mezi experimenty. PH bylo stanoveno digitálním pH-metrem a pnh3 byl přibližně vypočítán. Během depozice byly magnetické míchání a teplota lázně, T = 348 ± 2 K, udržovány konstantní.

Cd filmy byly uloženy na ITO/sklo substráty z Delta Technologie (Rs = 10 ± 2 W, 200 nm tlusté a 2,53 x 10 – 6 W·m jako elektrický odpor). Před depozice, ITO substráty byly vyčištěny mýdlem, trichlorethylen, aceton a isopropyl alkohol, opláchnutí destilovanou vodou mezi každou fázi, podle standardní metody. Pro každý experiment se do chemické lázně ponoří pět substrátů ITO chloridem kademnatým, dusičnanem amonným a hydroxidem draselným. Pak se lázeň zahřívá na 348 K, teplota nanášení. Chemická lázeň byla zahřívána a míchána deskou ohřívače-míchadla a její teplota byla měřena teploměrem Hg umístěným do chemické lázně. Po dosažení depoziční teploty se přidá thiomočovina a začne se vytvářet CdS. Každý ITO substrát byl odstraněn z chemické lázně, po 10, 20, 30, 40 a 50 min, a okamžitě opláchnout destilovanou vodou v ultrazvukové čističe. Na obou plochách substrátu byly získány světle žluté filmy CdS a povrch skla se očistí 10 % roztokem HCl, aby se odstranil film CdS z této plochy.

povrchová morfologie sušených filmů byla zobrazována technikou atomové síly mikroskopie (AFM) (CP Autoprobe). Kapela mezera energie byla vypočítána ze spektrální údaje získané s StellarNet EPP2000 spektrofotometru v oblasti ultrafialové-viditelné oblasti (od 200 do 850 nm vlnové délky) pomocí speciální úpravu provedenou v naší laboratoři pro analýzu pevných vzorků. Spektrum ITO se používá jako reference k eliminaci jeho účinku v pásmu mezery filmu CdS. Tloušťka filmů CdS byla měřena pomocí profilometru Dekak 8 Po vytvoření kroku ve filmovém rohu roztokem HCl.

IV. VÝSLEDKY

Obrázek 2 ukazuje tloušťka filmu získaná a odpovídající band gap energie jako funkce ukládání času pro experimenty 1, 2, 3 a 5.

Experiment 4 byl extrémně pomalé ukládání a experiment 6 neměl žádné výpovědi. Je možné pozorovat (obr. 2a), že rychlost depozice pro experiment 1 je nejrychlejší na začátku, ale velmi brzy se zpomalí. Na druhé straně experiment 2 ukazuje pomalou depozici během první části, následovanou dobrou rychlostí depozice, která dává nejsilnější film mezi všemi testy. Experimenty 3 a 5 ukázaly pomalé rychlosti ukládání během všech prvních 50 minut CBD. Také Obr. 2b umožňuje vidět kinetické rozdíly mezi oběma experimenty pomocí vypočtené energie mezery v pásmu. Experimenty 2 a 3 ukazují větší hodnoty energie mezery v pásmu pro první filmy (10-20 min) kvůli malé měřené tloušťce související s omezovacím efektem. Poté jsou hodnoty mezery v pásmu podobné typickým výsledkům poblíž 2,4 eV. Rozdíly mezi experimenty 1 a 2 umožňují konstatovat, že je možné změnit nejen rychlost depozice, ale také na kvalitu filmu prostřednictvím změny pH v lázni. Přesnější rozdíly mohou být vidět, když je větší, byly provedeny změny v chemickém složení, jako je uvedeno v Tabulce II.

Experimenty 2, 3 a 4 dát, jak důležité je amonného koncentrace na podobné hodnoty pH. Z těchto tří experimentů, číslo 3 má nejnižší koncentrace amonných a následuje pomalejší kinetika depozice než experiment 2: tloušťka po 50 min. byl menší, pro film v experimentu 3, když ve srovnání s experimentem 2, ale kapela mezera energie dosahuje podobné hodnoty. Experiment 4, na druhé straně, má větší koncentraci amoniaku a měl nejpomalejší kinetiku ukládání. Konečná tloušťka je výrazně nižší a podobné hodnoty energie mezery v pásmu bylo dosaženo až po 90 minutách nanášení.

Pokusy 5 a 6 dávají zajímavé výsledky, pro více základních hodnot pH. Při vysoké amonný koncentrace byl použit v experimentu 5, inhibice výpovědi bylo nalezeno od první minuty, hned po tenký film byl uložen s nezměněnou morfologií a podobné kapely mezera. Pro experiment 6, ve kterém byla použita nízká koncentrace amoniaku, však byla depozice filmu zcela inhibována. Je důležité říci, že v těchto dvou experimentů barva roztoku se změní na žluté ihned po přidání thiomočoviny, i když výpověď byla inhibována od první minuty reakce.

některé typické povrchové morfologické obrazy filmů CdS po 20 minutách depozice jsou znázorněny na obr. 3, Jak bylo získáno technikou AFM. Tyto snímky byly pořízeny pro šest experimentů každých deset minut. Obrázky pro experimenty 4 a 6 nevykazovaly žádné významné ukládání.

je možné pozorovat, že na drobné odchylky v pH a pNH3 hodnoty chemického vana, kinetika depozice a odpovídající kvalitě Cd filmy mohou být řízeny v souladu s náležitostmi materiálu, aplikací. Kolem oblasti a na obr. 1, v němž vysoké koncentrace amonných jsou přítomny, je zóna s velmi pomalé rychlosti depozice, což znamená, že mít negativní vliv na mechanismus reakce. U oblasti b, ačkoli se míra depozice také snižují, hlavní ovládání je umožněno definovat mírné odchylky ve filmu vlastnosti; v této zóně, konverze není problematické krok pro celkový proces. Konečně, v blízkosti oblastí g a d, tvorba hydroxidů kadmia dává dramatický příklad, ve kterém je depozice filmů CdS zcela inhibována.

V. ZÁVĚR

Velké rozdíly byly nalezeny v měřené charakteristiky filmů mezi jednotlivými chemické vana stavu tak, že pH a pNH3 řešení hrát klíčovou roli. Různé rychlosti depozice, tj. různé vlastnosti filmu, může být dosaženo s menšími změnami v chemické koncentraci roztoku. Tyto výsledky mohou být zajímavé pro návrh optického okna solárních článků CdTe/CdS/ITO vzhledem k možnosti řídit tloušťku a rychlost ukládání uložených filmů CdS. V souladu s výsledky existuje kompromis mezi koncentracemi amoniaku a hodnotami pH pro adekvátní depozici filmu CdS. Je doporučeno, aby se zabránilo: (i) více základních hodnot pH, kdy amonný koncentrace je nízká, nebo (ii) vysoké koncentrace amonných s nižšími hodnotami pH. Nízké koncentrace amonných jsou možné s méně základní řešení a vysoké koncentrace amonných jsou povoleny s větší hodnoty pH. Mezilehlé hodnoty pH (kolem 11) a koncentrace amoniaku (kolem 0,2 M) poskytují rychlé depozice. Za účelem zlepšení kvality filmů se však doporučují pomalejší sazby. Další experimenty jsou plánovány analyzovat podrobněji tyto účinky na Cd aplikace, která zkoumá speciálně oblasti kolem pH=10 a pNH3=0.4 M.

Potvrzení

Tato práce byla podpořena Conacyt (México) prostřednictvím projektu 38480-E. Autoři děkují Oscar Ceh a Emilio Corona za jejich technickou pomoc.

Y. J. Chang, C. L. Munsee, G. S. Herman, J. F Sázku, P. Mugdur, D. H. Lee a C. H. Chang, Surf. Rozhraní Anální. 37, 398 (2005).

a. Arias-Carbajal Reádigos, v. M. Garcia, o. Gomezdaza, J. Campos, M. T. S. Nair, and P. K. Nair, Semicond. Věda. Technol. 15, 1022 (2000).

r. Ortega-Borges, D. Lincot, J. Electrochem. SOC. 140, 3464 (1993).

J. M. Doña, J. Herrero, J. Electrochem. SOC. 144, 4081 (1997).

M. E. Páez-Hernández, M. T. Ramírez, a. Rojas-Hernández, Talanta 51, 107 (2000).

A. Maldonado, R. Asomoza, J. Canetas-Ortega, E. P. Zironi, R. Hernández, R. Patiño, a O Solorza-Feria, Solární Energie Materiálů & Solární články 57, 331 (1999).