Kemisk badavlagring

Chemical Bath Deposition , även kallad Chemical Solution Deposition och CBD , är en metod för tunnfilmsavsättning (fasta ämnen som bildas från en lösning eller gas), med användning av en vattenhaltig prekursorlösning. Kemisk badavsättning bildar typiskt filmer med användning av heterogen kärnbildning ( avsättning eller adsorption av vattenhaltiga joner på ett fast substrat ), för att bilda homogena tunna filmer av metallkalkogenider ( främst oxider , sulfider och selenider) och många mindre vanliga joniska föreningar. Chemical Bath Deposition producerar filmer på ett tillförlitligt sätt, med en enkel process med liten infrastruktur, vid låg temperatur (<100˚C) och till låg kostnad. Dessutom kan kemisk baddeponering användas för satsvis bearbetning med stor yta eller kontinuerlig deponering. Filmer som produceras av CBD används ofta i halvledare , fotovoltaiska celler och superkondensatorer , och det finns ett ökande intresse för att använda Kemisk Bath Deposition för att skapa nanomaterial .

Används

Kemisk badavsättning är användbar i industriella tillämpningar eftersom det är extremt billigt, enkelt och pålitligt jämfört med andra metoder för tunnfilmsavsättning, som endast kräver vattenlösning vid (relativt) låga temperaturer och minimal infrastruktur. Processen för kemisk baddeponering kan lätt skalas upp till storarea batchbearbetning eller kontinuerlig deponering.

Kemisk badavsättning bildar små kristaller, som är mindre användbara för halvledare än de större kristaller som skapas av andra metoder för tunnfilmsavsättning men är mer användbara för nanomaterial. Filmer som bildas genom kemisk badavsättning har dock ofta bättre fotovoltaiska egenskaper (bandelektrongap) än filmer av samma ämne som bildats med andra metoder.

Historiska användningar

Kemisk badavsättning har en lång historia men var fram till nyligen en ovanlig metod för tunnfilmsavsättning.

År 1865 publicerade Justus Liebig en artikel som beskrev användningen av kemisk badavsättning på silverspeglar (för att fästa ett reflekterande lager av silver på baksidan av glaset för att bilda en spegel), även om i dagens moderna tid är galvanisering och vakuumavsättning vanligare.

Runt andra världskriget tros blysulfid (PbS) och blyselenid (PbSe) CBD-filmer ha använts i infraröda detektorer. Dessa filmer är fotokonduktiva när de bildas genom kemisk badavsättning.

Chemical Bath Deposition har en lång historia av att bilda tunna filmer som också används i halvledare. Den lilla storleken på deponerade kristaller är dock inte idealisk för halvledare och kemisk badavsättning används sällan för att tillverka halvledare i modern tid.

Solceller

Solceller är den vanligaste användningen av filmer som deponeras genom Chemical Bath Deposition eftersom många filmer har bättre fotovoltaiska egenskaper när de deponeras via CBD än när de deponeras med andra metoder. Detta beror på att tunna filmer som bildas genom kemisk badavsättning uppvisar större kvantisering och därför mindre kristaller och ett större optiskt bandgap än tunna filmer som bildats med andra metoder. Dessa förbättrade fotovoltaiska egenskaper är anledningen till att kadmiumsulfid (CdS), en tunn film som är vanlig i fotovoltaiska celler, är det ämne som oftast deponeras av CBD och det ämne som oftast undersöks i CBD-forskningspapper.

Kemisk baddeponering används också för att deponera buffertlager i solceller eftersom CBD inte skadar substratet.

Optik

Kemiska badavsättningsfilmer kan göras för att absorbera vissa våglängder och reflektera eller överföra andra efter önskemål. Detta beror på att filmer som bildas av Chemical Bath Deposition har ett elektroniskt bandgap som kan kontrolleras exakt. Denna selektiva transmission kan användas för antireflektions- och anti-bländande beläggningar, solvärmeapplikationer, optiska filter , polarisatorer , totalreflektorer, etc. Filmerna som deponeras av Chemical Bath Deposition har möjliga tillämpningar inom antireflektion, anti-bländning, termisk kontroll änkbeläggningar, optiska filter , totalreflektorer, fjäderfäskydd och värmande beläggningar, lysdioder , solcellstillverkning och varistorer . ^{[ citat behövs ]}

Nanomaterial

Kemisk Bath Deposition eller strömlös deposition har stora tillämpningar inom området för nanomaterial, eftersom den lilla kristallstorleken möjliggör bildning på nanometerskala, eftersom egenskaperna och nanostrukturen hos kemiska Bath Deposition-filmer kan kontrolleras exakt, och eftersom den enhetliga tjockleken, sammansättningen, och geometri hos filmer som avsatts genom kemisk badavsättning tillåter filmen att behålla strukturen hos substratet. Den låga kostnaden och höga tillförlitligheten för kemisk badavsättning även på nanometerskalan är olik någon annan tunnfilmsavsättningsteknik. Kemisk badavsättning kan användas för att producera polykristallina och epitaxiella filmer, porösa nätverk, nanorods , supergitter och kompositer.

Bearbeta

Kemisk badavsättning bygger på att skapa en lösning så att avsättning (som ändras från en vattenhaltig till en fast substans) endast kommer att ske på substratet, med hjälp av metoden nedan:

Metallsalter och (vanligtvis) kalkogenidprekursorer tillsätts till vatten för att bilda en vattenlösning innehållande metalljonerna och kalkogenidjonerna som kommer att bilda föreningen som ska avsättas.
Temperatur, pH och koncentration av salter justeras tills lösningen är i metastabil övermättnad , det vill säga tills jonerna är redo att deponeras men inte kan övervinna den termodynamiska barriären mot kärnbildning (bildar fasta kristaller och fälls ut ur lösningen).
Ett substrat införs, som fungerar som en katalysator för kärnbildning, och prekursorjonerna fäster på substratet och bildar en tunn kristallin film genom en av de två metoder som beskrivs nedan.

Det vill säga att lösningen är i ett tillstånd där prekursorjonerna eller kolloidala partiklarna är "klibbiga", men inte kan "klistra" till varandra. När substratet införs fastnar prekursorjonerna eller partiklarna vid det och vattenhaltiga joner fastnar vid fasta joner och bildar en fast förening - avsättning för att bilda kristallina filmer.

Filmens pH, temperatur och sammansättning påverkar kristallstorleken och kan användas för att styra bildningshastigheten och filmens struktur. Andra faktorer som påverkar kristallstorleken inkluderar omrörning, belysning och tjockleken av filmen på vilken kristallen avsätts. Omrörning av lösningen förhindrar avsättning av suspenderade kolloidala kristaller, vilket skapar en jämnare och mer homogen film med en högre bandgapenergi. Omröring påverkar också bildningshastigheten och temperaturen vid vilken bildning sker, och kan förändra strukturen hos de avsatta kristallerna.

Till skillnad från de flesta andra deponeringsprocesser tenderar kemisk badavsättning att skapa en film med enhetlig tjocklek, sammansättning och geometri (lateral homogenitet) även på oregelbundna (mönstrade eller formade) substrat eftersom den, till skillnad från andra deponeringsmetoder, styrs av ytkemi. Joner fäster på alla exponerade ytor av substratet och kristaller växer från dessa joner.

Jon-för-jon-mekanism

Vid jon-för-jon-avsättning reagerar vattenhaltiga prekursorjoner direkt för att bilda den tunna filmen.

Förhållandena kontrolleras så att få hydroxidjoner bildas för att förhindra avsättning (inte på substratet) eller utfällning av olöslig metallhydroxid. Ibland används ett komplexbildande medel för att förhindra bildning av metallhydroxid. Metallsaltet och kalkogenidsaltet dissocierar för att bilda prekursormetallkatjoner och kalkogenidanjoner, som attraheras till och fäster vid substratet av Van der Waals-krafter . Joner fäster vid substratet och vattenhaltiga joner fäster vid de växande kristallerna och bildar större kristaller. Således resulterar denna avsättningsmetod i större och mindre enhetliga kristaller än hydroxidklustermekanismen.

Ett exempel på reaktionen, avsättning av kadmiumsulfid, visas nedan:

${\ce {Cd^2+ + S^2- -> CdS}}$ (avsättning)

Hydroxid-klustermekanism

Hydroxid-klusteravsättning sker när hydroxidjoner finns i lösningen och resulterar vanligtvis i mindre och mer enhetliga kristaller än jon-för-jon-avsättning.

När hydroxidjoner är närvarande i lösningen i kvantitet bildas metallhydroxidjoner. Hydroxidjonerna fungerar som ligander till metallkatjonerna och bildar olösliga kolloidala kluster som både är dispergerade i lösningen och deponeras på substratet. Dessa kluster attraheras till substratet av Van der Waals krafter. Kalkogenid-anjonerna reagerar med metallhydroxidklustren, både dispergerade och avsatta, för att bilda metallkalkogenidkristaller. Dessa kristaller bildar den tunna filmen, som har en struktur som liknar kristallit . I huvudsak fungerar hydroxidjonerna som mellanhänder mellan metalljonerna och kalkogenidjonerna. Eftersom varje hydroxidkluster är ett kärnbildningsställe, resulterar denna avsättningsmetod vanligtvis i mindre och mer enhetliga kristaller än jon-för-jon-avsättning.

Ett exempel på den kemiska reaktionen, avsättning av kadmiumsulfid, visas nedan:

${\ce {nCd^2+ (aq) + 2nOH^- (aq) -> [Cd( OH)2] (s)}}$ (Bildning av kadmiumhydroxidkluster)

${\ce {[Cd(OH)2] n + nS^2- -> nCdS + 2n OH^-}}$ (Ersättningsreaktion)

Substrat

Till skillnad från andra metoder för tunnfilmsavsättning kan nästan alla substrat som är kemiskt stabila i vattenlösningen teoretiskt användas i kemisk badavsättning. De önskade egenskaperna hos filmen dikterar vanligtvis valet av substrat; till exempel när ljusgenomskinlighet önskas används olika typer av glas, och i solcellsapplikationer används ${\displaystyle {\ce {CuInSe2}}} vanligen.$ Substrat kan också mönstras med monolager för att styra bildningen och strukturen av de tunna filmerna. Substrat som karboniserat melaminskum (CFM) ^{[ behövd hänvisning ]} och akrylsyra (AA) hydrogeler har också använts för vissa specialiserade applikationer.

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v ^w ^x ^y Hodes, Gary (2007-05-09). "Halvledare och keramiska nanopartikelfilmer avsatta genom kemisk badavsättning" . Fysikalisk kemi Kemisk fysik . 9 (18): 2181–2196. Bibcode : 2007PCCP....9.2181H . doi : 10.1039/B616684A . ISSN 1463-9084 . PMID 17487315 .
^ ^a ^b ^c ^d Guire, Mark R. De; Bauermann, Luciana Pitta; Parikh, Harshil; Bill, Joachim (2013), Schneller, Theodor; Waser, Rainer; Kosec, Marija; Payne, David (red.), "Chemical Bath Deposition" , Chemical Solution Deposition of Functional Oxide Thin Films , Wien: Springer, s. 319–339, doi : 10.1007/978-3-211-99311-8_14 , ISBN 978 3-211-99311-8 , hämtad 2021-11-18
^ Nair, P. K; Nair, MT S; Garcı́a, V.M; Arenas, O.L; Peña, A. Castillo, Y; Ayala, I.T; Gomezdaza, O; Sánchez, A; Campos, J; Hu, H; Suárez, R (1998-04-30). "Halvledartunna filmer genom kemisk badavsättning för solenergirelaterade tillämpningar" . Solenergimaterial och solceller . 52 (3): 313–344. doi : 10.1016/S0927-0248(97)00237-7 . ISSN 0927-0248 . S2CID 97624287 .
^ ^a ^b Switzer, Jay A.; Hodes, Gary (2010-10-01). "Elektrodeposition och kemisk baddeposition av funktionella nanomaterial" . MRS Bulletin . 35 (10): 743–750. Bibcode : 2010MRSBu..35..743S . doi : 10.1557/S0883769400051253 . ISSN 1938-1425 .
^ Liebig, Justus (1856-01-01). "Ueber Versilberung und Vergoldung von Glas" . Annalen der Chemie und Pharmacie . 98 : 132–139. doi : 10.1002/jlac.18560980112 .
^ ^a ^b Tec-Yam, S.; Patiño, R.; Oliva, AI (2011-05-01). "Kemisk badavsättning av CdS-filmer på olika substratorienteringar" . Aktuell tillämpad fysik . 11 (3): 914–920. Bibcode : 2011CAP....11..914T . doi : 10.1016/j.cap.2010.12.016 . ISSN 1567-1739 .
^ ^a ^b ^c Froment, Michel; Lincot, Daniel (1995-07-01). "Fasbildningsprocesser i lösning på atomnivå: Metallkalkogenidhalvledare" . Electrochemica Acta . 40 (10): 1293–1303. doi : 10.1016/0013-4686(95)00065-M . ISSN 0013-4686 .
^ ^a ^b ^c ^d Aida, MS; Hariech, S. (2020), Ikhmayies, Shadia Jamil (red.), "Cadmium Sulfide Thin Films by Chemical Bath Deposition Technique" , Advances in Energy Materials , Advances in Material Research and Technology, Cham: Springer International Publishing, s. 49 –75, doi : 10.1007/978-3-030-50108-2_3 , ISBN 978-3-030-50108-2 , S2CID 226640144 , hämtad 2021-11-22
^ Temel, Sinan; Gokmen, Fatma Ozge; Yaman, Elif (2019-12-18). "Antibakteriell aktivitet av ZnO nanoblommor avsatt på biologiskt nedbrytbar akrylsyrahydrogel genom kemisk badavsättning" . Bulletin of Materials Science . 43 (1): 18. doi : 10.1007/s12034-019-1967-1 . ISSN 0973-7669 . S2CID 209393032 .

[:0-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^m ⁿ ^o ^p ^q ^r ^s ^t ^u ^v ^w ^x ^y Hodes, Gary (2007-05-09). "Halvledare och keramiska nanopartikelfilmer avsatta genom kemisk badavsättning" . Fysikalisk kemi Kemisk fysik . 9 (18): 2181–2196. Bibcode : 2007PCCP....9.2181H . doi : 10.1039/B616684A . ISSN 1463-9084 . PMID 17487315 .

[:5-2] Guire, Mark R. De; Bauermann, Luciana Pitta; Parikh, Harshil; Bill, Joachim (2013), Schneller, Theodor; Waser, Rainer; Kosec, Marija; Payne, David (red.), "Chemical Bath Deposition" , Chemical Solution Deposition of Functional Oxide Thin Films , Wien: Springer, s. 319–339, doi : 10.1007/978-3-211-99311-8_14 , ISBN 978 3-211-99311-8 , hämtad 2021-11-18

[3] Nair, P. K; Nair, MT S; Garcı́a, V.M; Arenas, O.L; Peña, A. Castillo, Y; Ayala, I.T; Gomezdaza, O; Sánchez, A; Campos, J; Hu, H; Suárez, R (1998-04-30). "Halvledartunna filmer genom kemisk badavsättning för solenergirelaterade tillämpningar" . Solenergimaterial och solceller . 52 (3): 313–344. doi : 10.1016/S0927-0248(97)00237-7 . ISSN 0927-0248 . S2CID 97624287 .

[:4-4] Switzer, Jay A.; Hodes, Gary (2010-10-01). "Elektrodeposition och kemisk baddeposition av funktionella nanomaterial" . MRS Bulletin . 35 (10): 743–750. Bibcode : 2010MRSBu..35..743S . doi : 10.1557/S0883769400051253 . ISSN 1938-1425 .

[5] Liebig, Justus (1856-01-01). "Ueber Versilberung und Vergoldung von Glas" . Annalen der Chemie und Pharmacie . 98 : 132–139. doi : 10.1002/jlac.18560980112 .

[:6-6] Tec-Yam, S.; Patiño, R.; Oliva, AI (2011-05-01). "Kemisk badavsättning av CdS-filmer på olika substratorienteringar" . Aktuell tillämpad fysik . 11 (3): 914–920. Bibcode : 2011CAP....11..914T . doi : 10.1016/j.cap.2010.12.016 . ISSN 1567-1739 .

[:2-7] Froment, Michel; Lincot, Daniel (1995-07-01). "Fasbildningsprocesser i lösning på atomnivå: Metallkalkogenidhalvledare" . Electrochemica Acta . 40 (10): 1293–1303. doi : 10.1016/0013-4686(95)00065-M . ISSN 0013-4686 .

[:3-8] Aida, MS; Hariech, S. (2020), Ikhmayies, Shadia Jamil (red.), "Cadmium Sulfide Thin Films by Chemical Bath Deposition Technique" , Advances in Energy Materials , Advances in Material Research and Technology, Cham: Springer International Publishing, s. 49 –75, doi : 10.1007/978-3-030-50108-2_3 , ISBN 978-3-030-50108-2 , S2CID 226640144 , hämtad 2021-11-22

[9] Temel, Sinan; Gokmen, Fatma Ozge; Yaman, Elif (2019-12-18). "Antibakteriell aktivitet av ZnO nanoblommor avsatt på biologiskt nedbrytbar akrylsyrahydrogel genom kemisk badavsättning" . Bulletin of Materials Science . 43 (1): 18. doi : 10.1007/s12034-019-1967-1 . ISSN 0973-7669 . S2CID 209393032 .