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1、電沉積制備半導(dǎo)體納米材料2目錄引言電沉積納米材料的制備方法及原理電沉積法制備半導(dǎo)體CdS納米膜應(yīng)用及展望參考文獻(xiàn)3引言長(zhǎng)期以來(lái),電沉積合金主要是研究晶體物質(zhì),通常認(rèn)為是相對(duì)比較宏觀的物質(zhì)。電沉積納米晶技術(shù)則是研究幾個(gè)納米到100nm以內(nèi)的微細(xì)晶粒材料的技術(shù)。研究納米晶合金的特性,并開(kāi)發(fā)其應(yīng)用是目前納米材料研究的重要方向。用電沉積法制備納米材料給這項(xiàng)技術(shù)注入了新的內(nèi)涵。4目前,對(duì)電沉積納米合金技術(shù)進(jìn)行了很多研究,用電沉積方法已制備了多種類型的納米合金,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)已超過(guò)40種。電沉積法制備的納米合金鐵族金屬與非金屬元素構(gòu)成納米合金,如納米Ni-P合金;
2、鐵族金屬和金屬元素構(gòu)成的納米合金,如納米Zn-Ni合金;半導(dǎo)體納米合金,如納米Pb-Se合金;其他納米合金,如納米Pt-Pb合金引言5引言電沉積制備納米晶合金的主要優(yōu)點(diǎn)1)電沉積層具有獨(dú)特的高密度和低孔隙率,結(jié)晶組織取決于電沉積參數(shù),就能精確地控制膜層的厚度、化學(xué)組分、晶粒組織、晶粒大小和孔隙率等。2)適合于制備純金屬納米晶膜、合金膜及復(fù)合材料膜以及粉、管、線、棒、板。3)電沉積過(guò)程中過(guò)電勢(shì)是主要推動(dòng)力,容易實(shí)現(xiàn)電沉積,工藝靈活,易轉(zhuǎn)化。4)可在常溫常壓下操作,節(jié)約能源,并可避免高溫引入的熱應(yīng)力。5)電沉積易使沉積原子在單晶基質(zhì)上外延生長(zhǎng),易得到較好
3、的外延生長(zhǎng)層。6)有很好的經(jīng)濟(jì)性和較高的生產(chǎn)率,初始投資低。6電沉積納米材料的制備方法及原理電沉積是一種電化學(xué)過(guò)程,也是氧化-還原過(guò)程,它研究的重點(diǎn)是“陰極沉積”。為了得到納米晶,在鍍液中加入適量的晶粒細(xì)化劑是非常有利的,通常加入的細(xì)化劑有糖精、十二烷基磺酸鈉、尿素等。電沉積納米晶材料是由兩個(gè)步驟控制:(1)形成高晶核數(shù);(2)控制晶核的成長(zhǎng)。以上兩個(gè)條件可以由控制化學(xué)和物理參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),晶核的大小和數(shù)目可由過(guò)電勢(shì)η來(lái)控制??捎蒏elvin電化學(xué)公式來(lái)表示:式中:r表示臨界晶核形成的半徑;δ表示表面能量;η為過(guò)電勢(shì),V表示晶體中原子體積;z表示元電荷數(shù)
4、;e0表示元電荷。η↑,r↓7電沉積納米材料的制備方法及原理8電沉積納米材料的制備方法及原理直流電沉積法研究表明,在電沉積過(guò)程中采用↑陰極過(guò)電勢(shì)、↑吸附原子總數(shù)和↓吸附原子表面遷移率是大量形核和減少晶粒生長(zhǎng)的必要條件。成核速率用J表示,則:式中,K1為速率常數(shù);b為幾何指數(shù);S為1個(gè)原子在晶格上占的面積;ε為邊界能量;kB為波茨曼(Boltzmann)常數(shù);e為電子電荷;z為離子電荷數(shù);T為絕對(duì)溫度;η為過(guò)電勢(shì)。由上式可知,過(guò)電勢(shì)η對(duì)成核速率有極大的影響。9電沉積納米材料的制備方法及原理而塔菲爾(Tafel)公式表明影響過(guò)電勢(shì)的主要因素是電流密度。T
5、afel公式:η=α+βlgi式中,α和β是常數(shù),i是電流密度當(dāng)電沉積的電流密度i↑時(shí),過(guò)電勢(shì)η↑,↑成核速率J。從而可知,生成納米晶的重要電化學(xué)因素,就是有效地提高電沉積時(shí)的電流密度及過(guò)電勢(shì)。10電沉積納米材料的制備方法及原理獲得納米晶常采用的工藝措施(1)采用適當(dāng)高的電流密度隨著電流密度↑,電極上的過(guò)電勢(shì)↑,使形核的驅(qū)動(dòng)力↑,沉積層的晶粒尺寸↓。(2)采用有機(jī)添加劑結(jié)晶細(xì)化劑的作用,一方面,添加劑分子吸附在沉積表面的活性部位,可阻止晶體的生長(zhǎng)。另一方面,析出原子的擴(kuò)散也被吸附的有機(jī)添加劑分子所抑制,較少到達(dá)生長(zhǎng)點(diǎn),優(yōu)先成核。11電沉積制備半導(dǎo)體C
6、dS納米膜CdS是典型的半導(dǎo)體,它在光催化、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換等方面具有誘人的應(yīng)用前景,因此它的制備也備受關(guān)注;普通電沉積方法沉積薄膜的基材兼作電極制備硫化鎘納米膜,存在著有害的電極反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)1)使薄膜的制備簡(jiǎn)單易行,薄膜的性能更加可靠,成本得以降低;2)納米膜可以與基底分離并獨(dú)立存在;這些優(yōu)點(diǎn)預(yù)示著電沉積方法制備的CdS納米膜在半導(dǎo)體納米器件上將有廣闊的應(yīng)用前景。12電沉積制備半導(dǎo)體CdS納米膜實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用試劑:CdCl2:CH3CSNH2=1:1表面活性劑和氯仿。如右圖連接電路,采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行恒壓電化學(xué)沉積,將得到的薄膜轉(zhuǎn)移到潔凈
7、的基底上;在空氣干燥一段時(shí)間,依次用丙酮、二次蒸餾水清洗、干燥。實(shí)驗(yàn)裝置CdCl2+CH3CSNH213電沉積制備半導(dǎo)體CdS納米膜最佳工藝制備的納米薄膜的AFM圖納米膜中存在許多堆垛層錯(cuò)構(gòu)成的面缺陷,而半導(dǎo)體材料的許多性質(zhì),如光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等都和材料的缺陷結(jié)構(gòu)有關(guān)。14電沉積制備半導(dǎo)體CdS納米膜納米膜是如何形成的?雙親型表面活性劑鋪展在電解液表面上,其親水基伸向溶液,親油基伸出水面;由于親水端是帶負(fù)極性的COO-,因此在界面附近形成帶負(fù)電的極性區(qū)域,界面附近的Cd2+和CH3CSNH2在電場(chǎng)的作用下重新分布。Cd2+向液/
8、液界面移動(dòng),有規(guī)則地排布在親水基附近,形成界面雙電層。硫代乙酸胺上氨基的孤對(duì)電子與鎘離子形成配位鍵。如圖所示