金属硫化物纳米薄膜的化学浴沉积、图案化及光电性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 卢永娟 |
| 学位类别 | 理学博士 |
| 答辩日期 | 2012-05-29 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 贾均红 |
| 关键词 | 金属硫化物薄膜 微图案 化学浴沉积法 自组装单分子层 光电性能 Metal sulfide thin film Micro-patterns Chemical bath deposition (CBD) Self-assembly monolayers (SAMs) Photoelectrochemical properties |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 中文摘要 | 金属硫化物半导体薄膜在发光器件、传感器、太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。发展简便、普适、环境友好的薄膜制备方法以获得具有特定组成、尺寸、形貌的纳米晶薄膜材料，同时探索纳米晶薄膜的沉积机理，并实现金属硫化物薄膜的可控合成和组装，构建功能化纳米结构体系，对推动金属硫化物半导体纳米薄膜的发展具有重要的科学意义。本论文以化学浴沉积（CBD）法和紫外光刻技术为基础，结合自组装技术制备多种金属硫化物半导体薄膜和具有微图案结构的纳米薄膜，并对薄膜的沉积机理、图案化及光电性能进行探讨。主要研究内容和结果如下： 1、利用 CBD 法，在导电玻璃（ITO）上制备结构致密均匀且粘附力好的CdS 纳米晶薄膜。在此基础上以十八烷基三氯硅烷（OTS）自组装单分子膜（SAMs）为阻挡层，利用紫外光刻技术制备选择性好、图案边界清晰、结构完整的图案化 CdS 薄膜。UV-Vis 测试结果表明该薄膜在短波长区域有较强的光吸收，可作为薄膜太阳能电池的窗口材料和过渡层；电化学测试表明 CdS 薄膜具有较好的光电响应性能，呈 N-型半导体特性；对图案化薄膜而言，图案尺寸对薄膜光学及光电性能有很大的影响，图案尺寸越小，光吸收及光电响应性能越强。这是由于图案化技术可以增加薄膜的比表面积，从而使入射光在图案化纳米薄膜中所经历的光学路径增加，进而增强了其光吸收及光电性能。 2. 利用 CBD 法，在组装有 3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTS）SAMs 的 ITO表面制备 CuxS 纳米晶薄膜，系统研究反应条件对薄膜材料组成和结构的影响。发现络合剂浓度在控制 CuxS 纳米晶薄膜的晶粒形状、尺寸及晶型中起到关键的作用。通过调节络合剂浓度分别可得到表面致密且颗粒尺寸均匀的球形晶 Cu2S和片状晶CuS 薄膜，并且 CuxS 的光吸收及光电性能与其化学计量比密切相关，这与不同 CuxS 自身的基本特性，比如带隙宽度、自由载流子浓度、铜空位等有关。光电测试表明两种 CuxS 都具有很好的光电响应性能，呈 P-型半导体特性。 3、研究不同末端基团 SAMs 表面CuS 纳米晶的沉积机理，结果表明 CuS 纳米晶的沉积速率顺序为 APTS SAM > OH > OTS SAM。这是由于 APTS SAMs 末端胺基中的N原子与溶液中的铜离子有较强的螯合作用。此外，利用CuS在APTSSAM表面的高度选择性，在图案化 APTS/OTS SAMs，APTS/OH SAMs 表面沉积边界清晰、结构完整的正负型 CuS 图案及 Cu2S/TiO2复合图案化薄膜。 4、 以CBD法为基础， 在APTS SAMs修饰的基底表面制备致密均匀的Bi2S3纳米晶薄膜；利用 FESEM、紫外可见光谱、电化学等测试手段对不同沉积时间下 Bi2S3纳米晶薄膜的晶粒尺寸、薄膜厚度、光学及光电性能进行研究。结果表明随着沉积时间的增加，薄膜厚度增加，Bi2S3 纳米晶粒尺寸也不断增大；紫外光谱测试表明Bi2S3纳米晶薄膜在可见光区有很强的吸收，并随薄膜厚度的增加，吸收强度增加；光电测试结果表明 Bi2S3纳米晶薄膜具有非常稳定、灵敏的光电响应特性，呈现出典型的 N-型半导体响应特征。在此基础上，进一步在紫外光刻技术制备的图案化APTS/OTS SAMs表面沉积Bi2S3薄膜， 利用沉积薄膜在OTS SAMs 表面粘附力差的特点，获得边界清晰的图案化 Bi2S3 薄膜，图案化 Bi2S3薄膜的光吸收及光电流均随着图案尺寸的减小而明显增强。 5、利用水热法制备一维 TiO2纳米棒阵列，并用 CBD法在 TiO2纳米棒上敏化Bi2S3量子点，形成 TiO2/Bi2S3复合纳米棒阵列。结果表明Bi2S3量子点均匀分布在TiO2纳米棒表面，形成紧密的接触；Bi2S3的沉积时间对最终复合结构的光吸收及光电响应性能有决定性的影响， 薄膜的光电流随着沉积时间呈先增加后减小的趋势，在沉积时间为 20 min 时，光电流密度最大。这是因为随着沉积时间的增加，TiO2纳米棒表面 Bi2S3量子点密度增大，光吸收增加；而当沉积时间进一步延长时，Bi2S3在TiO2纳米棒表面的大量负载而形成堆积和团聚，导致表面缺陷增多，光生电子复合几率增大，从而使光电流密度减小。 |
| 公开日期 | 2013-04-01 |
| 源URL | [http://210.77.64.217/handle/362003/2788]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 卢永娟. 金属硫化物纳米薄膜的化学浴沉积、图案化及光电性能研究[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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