Низкотемпературный one-pot синтез нанокристаллических тонких пленок сульфида олова (II)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В рамках принципов “зеленой химии” с использованием подхода one-pot получены фоточувствительные тонкие пленки сульфида олова (II) с р-типом проводимости и шириной запрещенной зоны 1.03 ± 0.09 эВ. С целью расширения номенклатуры сульфидизаторов, используемых в технологии нанесения тонких наноструктурированных пленок SnS методом химического осаждения, показана эффективность применения растворов тиосульфата натрия. Установлено, что тонкие пленки SnS с хорошей адгезией к диэлектрической подложке и размером областей когерентного рассеяния ~30 нм могут быть получены в результате химической реакции гидролитического распада тиосульфат-ионов. Условия получения SnS обоснованы термодинамическим анализом ионных равновесий. Квантово-химическими расчетами показано, что p-тип проводимости синтезированных пленок SnS обусловлен, вероятнее всего, вакансиями олова.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. С. Кожевникова

Институт химии твердого тела УрО РАН; Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990; ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002

Л. Н. Маскаева

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Уральский институт ГПС МЧС России

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. Мира, 22, Екатеринбург, 620137

А. Н. Еняшин

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

О. А. Липина

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

А. П. Тютюнник

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

И. О. Селянин

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

И. В. Бакланова

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

М. В. Кузнецов

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

В. Ф. Марков

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Уральский институт ГПС МЧС России

Email: kozhevnikova@ihim.uran.ru
Россия, ул. Мира, 19, Екатеринбург, 620002; ул. Мира, 22, Екатеринбург, 620137

Список литературы

  1. Brent J.R., Lewis D.J., Lorenz T. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2015. V. 137. № 39. P. 12689. https://doi.org/10.1021/jacs.5b08236
  2. Banai R.E., Horn M.W., Brownson J.R.S. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2016. V. 150. P. 112. http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2015.12.001
  3. Reddy K.T.R., Reddy N.K., Miles R.W. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2006. V. 90. № 18–19. P. 3041. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2006.06.012
  4. Mathews N.R., Anaya H.B.M., Cortes-Jacome M.A. et al. // J. Electrochem. Soc. 2010. V. 157. № 3. P. H337. https://doi.org/10.1149/1.3289318
  5. Bashkirov S.A., Gremenok V.F., Ivanov V.A. et al. // Thin Solid Films. 2012. V. 520. P. 5807. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.04.030
  6. Kabouche S., Bellal B., Louafi Y. et al. // Mater. Chem. Phys. 2017. V. 195. P. 229. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.04.031
  7. Gao W., Wu C., Cao M. et al. // J. Alloys Compd. 2016. V. 688. Part A. P. 668. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.07.083
  8. Один И.Н., Гапанович М.В., Урханов О.Ю. и др. // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 1. С. 3. [Odin I.N., Gapanovich M.V., Urkhanov O.Y., et al // Inorganic Materials. 2021. V. 57. № 1. P. 3].
  9. Гапанович М.В., Ракитин В.В., Новиков Г.Ф. // Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. № 1. С. 3. [Gapanovich M.V., Rakitin V.V., Novikov G.F. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. Т. 67. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1134/S0036023622010041]
  10. Schneikart A., Schimper H.-J., Klein A. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. V. 46. № 30. P. 305109. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/30/305109
  11. Башкиров С.А., Гременок В.Ф., Иванов В.А. и др. // Физика твердого тела. 2012. Т. 54. № 12. C. 2372.
  12. Hartman K., Johnson J.L., Bertoni M.I. et al. // Thin Solid Films. 2011. V. 519. № 21. P. 7421. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.12.186
  13. Wangperawong A., Herron S.M., Runser R.R. et al. // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 052105. https://doi.org/10.1063/1.4816746
  14. Sinsermsuksakul P., Heo J., Noh W. et al. // Adv. Energy Mater. 2011. V. 1. № 6. P. 1116. https://doi.org/10.1002/aenm.201100330
  15. Ballipinar F., Rastogi A.C. // J. Alloys Compd. 2017. V. 728. P. 179. 10.1016/j.jallcom.2017.08.295
  16. Sajeesh T.H., Warrier A.R., Kartha C.S. et al. // Thin Solid Films. 2010. V. 518. № 15. P. 4370. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.01.040
  17. Takeuchia K., Ichimuraa M., Araia E. et al. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2003. V. 75. № 3–4. P. 427. https://doi.org/10.1016/S0927-0248(02)00192-7
  18. Avellaneda D., Nair M.T.S., Nair P.K. // J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155. № 7. P. D517. https://doi.org/10.1149/1.2917198
  19. Hayakawa R., Takano Y. // Thin Solid Films. 2017. V. 636. P. 171. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.06.005
  20. Маскаева Л.Н., Федорова Е.А., Шемякина А.И. и др. // Бутлеровские сообщения. 2014. Т. 37. № 2. С. 1. [Maskaeva L.N., Fyodorova E.A., Shemyakina A.I. et al. // Butlerov Commun. 2014. Vol. 37. №2. P.1]
  21. Chalapathi U., Poornaprakash B., Park S.H. // Solar Energy. 2016. V. 139. P. 238. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.09.046
  22. Chalapathi U., Poornaprakash B., Park S.H. // J. Alloys Compd. 2016. V. 689. P. 938. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.066
  23. Титов В.А., Рыбкин В.В., Соколов В.Ф. и др. Электронное материаловедение: Лабораторный практикум. Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2003. 108 c.
  24. Ordejon P., Artacho E., Soler J.M. // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. Р. R10441. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.53.R10441
  25. García A., Papior N., Akhtar A. et al. // J. Chem. Phys. 2020. V. 152. P. 204108. https://doi.org/10.1063/ 5.0005077
  26. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Иванов П.Н. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 218 с.
  27. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1971. 456 с.
  28. Williamson G.K., Hall W.H. // Acta Metall. 1953. V. 1. P. 22. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90006-6
  29. Chandrasekhar H.R., Humphreys R.G., Zwick U. et al. // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. P. 2177.
  30. Stranick M.A., Moskwa A. // Surf. Sci. Spectra. 1993. V. 2. P. 45. https://doi.org/10.1116/1.1247723
  31. Patel M., Kim J. // Data in Brief. 2017. V. 15. P. 252. https://doi.org/10.1016/j.dib.2017.09.037.
  32. Vidal J., Lany S., d’Avezac M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. № 3. P. 032104. https://doi.org/10.1063/1.3675880
  33. Попов И.С., Кожевникова Н.С., Еняшин А.Н. и др. // Докл. АН. Сер. Физ. химия. 2017. Т. 472. № 4. С. 416. [Popov I.S., Kozhevnikova N.S., Enyashin A.N. at al. // Doklady Physical Chemistry. 2017. V. 472. № 2. Р. 23. https://doi.org/10.1134/S0012501617020026]
  34. Kozhevnikova N.S., Maskaeva L.N., Lekomtseva E.E. et al. // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2020. V. 11. № 5. P. 529. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2020-11-5-529-536
  35. Li W., Walther C.F.J., Kuc A. et al. // J. Chem. Theory Comput. 2013. V. 9. № 7. P. 2950. https://doi.org/10.1021/ct400235w
  36. Guneri E., Ulutas C., Kirmizigul F. et al. // Appl. Surf. Sci. 2010. V. 257. № 4. P. 1189. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.07.104
  37. Hartman K., Johnson J.L., Bertoni M.I. et al. // Thin Solid Films. 2011. V. 519. № 21. P. 7421. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.12.186
  38. Koteeswara Reddy N., Hahn Y.B., Devika M. et al. // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 093522. https://doi.org/10.1063/1.2729450
  39. Parenteau M., Carlone C. // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. P. 5227.
  40. Burton L.A., Colombara D., Abellon R.D. // Chem. Mater. 2013. V. 25. № 24. P. 4908. https://doi.org/10.1021/cm403046m
  41. Titova L.V., Fregoso B.M., Grimm R.L. Chapter 5: Group-IV monochalcogenides GeS, GeSe, SnS, SnSe, in book Chalcogenide: From 3D to 2D and Beyond. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials: 2020. Р. 119–151.
  42. Urbah F. // Phys. Rev. 1953. V. 92. P. 1324.
  43. Ролдугин В.И. // Успехи химии. 2003. Т. 72. № 10. С. 931. [Roldugin V.I. // Russ. Chem. Rev. 2003. V. 72. № 10. P. 931. https://doi.org/10.1070/RC2003v072n10ABEH000805]
  44. Торхов Н.А., Божков В.Г., Ивонин И.В. и др. // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. № 1. С. 38.
  45. Самсонов В.М., Кузнецова Ю.В., Дьякова Е.В. // Журн. техн. физики. 2016. Т. 86. № 2. С. 71.
  46. Сдобняков Н.Ю., Антонов А.С., Иванов Д.В. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях. Тверь: Тверской гос. ун-т, 2019. 168 с.
  47. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 136 с.
  48. Смирнов Б.М. // Успехи физ. наук. 1986. Т. 149. № 2. С. 177.
  49. Федер Е. Фракталы / Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 254 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Термодинамический анализ начальных условий образования твердой фазы SnS в водном растворе при 298 K: а — долевые концентрации () комплексов SnOH+ (1), Sn(OH)2 (2), Sn(OH)3− (3), SnCit− (4), SnCit24− (5), Sn(OH)Cit2− (6), образующихся в реакционной системе SnCl2–Na3Cit–Н2O; б — граничные условия образования твердых фаз SnS и Sn(OH)2 в зависимости от pH среды и концентрации Na2S2O3 в реакционной системе SnCl2–Na3Cit–Na2S2O3–Н2O.

Скачать (511KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Экспериментальные рентгенограммы тонких пленок SnS, полученных из водных растворов Na2S2O3 при 343 К и 60, 90, 120 мин синтеза. Экспериментальная рентгенограмма ситалловой подложки. Расчетные рентгенограммы -SnS орторомбической структуры (пр. гр. Pnmа) и основных компонентов ситалловой подложки: MgSiO3 и TiO2 (рутил).

Скачать (201KB)
Метаданные
4. Рис. 3. КР-спектры тонких пленок SnS, полученных из водных растворов Na2S2O3 при 343 K и 60, 90 и 120 мин синтеза на ситалловых подложках.

Скачать (135KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Обзорные спектры поверхности пленки SnS, осажденной в растворе Na2S2O3 в течение 120 мин: до (поверхность) и после (Ar+ в течение 1 мин) травления ионами Ar+ (4 кэВ) на глубину ~6 нм.

Скачать (121KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Топология поверхности и профили поверхности по нормали, проведенные через центр изображения, тонких пленок SnS, полученных из водных растворов Na2S2O3 при 343 K на ситалловых подложках, в зависимости от длительности синтеза, мин: 30 (а), 60 (б), 90 (в), 120 (г). Размер АСМ-изображений 5 × 5 мкм2.

Скачать (723KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Плотность электронных состояний (ПС) для слэбов (001)SnS в случае комплектного состава и решетки (a) и в случае дефектов: SnS с вакансиями в подрешетке Sn (б), SnS с замещением S на O (в), SnS с адсорбированными атомами S (г) и SnS с адсорбированными атомами O (д). Sn5s-, Sn5p- и S3p-состояния обозначены соответственно красным, оранжевым и желтым цветом. O2p- или S3p-состояния примесей замещения или адсорбатов обозначены синим цветом. Расчеты DFT GGA.

Скачать (847KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектры светопропускания Т тонких пленок SnS, осажденных из растворов Na2S2O3 при 343 K (а). Графическое определение оптической ширины запрещенной зоны Eg (б) и энергии Урбаха EU (в) для пленок SnS, осажденных в течение 60, 90 и 120 мин.

Скачать (300KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схема формирования пленки SnS, согласно модели “кластер–частица” (модели Виттена–Сандера), в трехмерном пространстве.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах