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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».