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Bi2S3材料是一种非常有潜力的半导体材料,在光电方面有重要的应用。基于薄膜材料在太阳能光电池方面的应用以及电沉积制备薄膜技术的优点,本论文对电化学法沉积Bi2S3薄膜进行了系统的研究。
采用阴极恒电压法在ITO导电玻璃上电沉积了Bi2S3薄膜,利用X-射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及紫外/可见/近红外光谱仪对所制备的薄膜的结构、形貌、光学性能进行了表征。研究了沉积溶液的pH值、沉积液浓度配比、沉积时间、沉积电压、沉积温度等工艺因素对制备薄膜的影响;采用微波水热法电沉积法制备薄膜进行了后处理;采用电沉积法制备了Sn掺杂Bi2S3薄膜。
结果表明:在电沉积溶液pH=4.5,沉积时间为20min,沉积电压为1.5V,在Bi(NO3)3,Na2S2O3和Na3C6H5O7浓度比为1:7:1,加入柠檬酸三钠作络合剂的情况下,可以得到沿(240)晶面生长均匀致密的Bi2S3纳米薄膜。沉积溶液的pH值在4.0~6.5的范围内可制得沿(240)晶面取向生长的Bi2S3薄膜;在此pH值范围内,随着沉积溶液pH值的升高,Bi2S3薄膜表面衍射峰逐渐增强,结晶程度变好,晶粒细化,红外透过比提高。电沉积制备Bi2S3薄膜的过程中需要确定合适的各组分浓度配比,随着沉积溶液配比中Na2S2O3浓度的提高,Bi2S3薄膜的结晶性能提高,发光性能增强;在浓度配比为:1:5:1,1:7:1,1:9:1时制得的Bi2S3薄膜均在紫外光的激发下均具有蓝绿发光性能。随着沉积时间的延长,Bi2S3薄膜结晶性能先增强后减弱,薄膜表面晶粒尺寸增大,合适的沉积时间是20min。随着沉积溶液温度的增加,Bi2S3薄膜的各晶面衍射峰逐渐增强,结晶程度逐渐提高,合适的沉积温度是40℃。在电沉积法中,其生长模式是基于电场力对离子的作用而诱导产生的垂直于基板方向的层状生长。
采用微波水热辅助电沉积法可以高效的提高Bi2S3薄膜的质量。在微波水热130℃反应10min时制备了具有纳米棒结构的Bi2S3薄膜。随着微波水热温度的提高,所制备Bi2S3薄膜的结晶性能先增强后降低,合适的温度是130℃。随着微波水热时间的提高,薄膜的结晶性能先提高后降低,合适的微波水热处理时间是30min。所制得的薄膜具有较强的吸收紫外光的能力;与电沉积法制得薄膜相比,采用微波水热辅助电沉积法制得Bi2S3薄膜的禁带宽度由1.44 eV增加到1.84 eV。
采用电沉积法制备了Sn掺杂Bi2S3纳米薄膜。随着掺杂量的增加,薄膜的结晶能力逐渐减弱,薄膜的透射率下降;掺杂量达到0.8%以上时,掺杂过量,薄膜出现杂质相,合适的Sn2+离子掺杂量为0.6%,薄膜的结晶性能较好,无杂质相;在实验掺杂范围内,随着掺杂量增大,薄膜的禁带宽度逐渐增大。