LT7118B - Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas - Google Patents
Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas Download PDFInfo
- Publication number
- LT7118B LT7118B LT2023519A LT2023519A LT7118B LT 7118 B LT7118 B LT 7118B LT 2023519 A LT2023519 A LT 2023519A LT 2023519 A LT2023519 A LT 2023519A LT 7118 B LT7118 B LT 7118B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- silicon
- working electrode
- substrate
- photoelectrochemical
- carbon
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 48
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 40
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 11
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims abstract description 4
- FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N silicon tetrachloride Chemical compound Cl[Si](Cl)(Cl)Cl FDNAPBUWERUEDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 22
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 10
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 6
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910018182 Al—Cu Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- -1 aluminum-magnesium-zinc Chemical compound 0.000 claims description 3
- 239000006117 anti-reflective coating Substances 0.000 claims description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 3
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N Sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RECVMTHOQWMYFX-UHFFFAOYSA-N oxygen(1+) dihydride Chemical compound [OH2+] RECVMTHOQWMYFX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910018540 Si C Inorganic materials 0.000 claims 3
- 229910003910 SiCl4 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 14
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N aluminum copper Chemical compound [Al].[Cu] WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract 1
- ZZEMEJKDTZOXOI-UHFFFAOYSA-N digallium;selenium(2-) Chemical compound [Ga+3].[Ga+3].[Se-2].[Se-2].[Se-2] ZZEMEJKDTZOXOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 9
- VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 4-[4-(4-methoxyphenyl)piperazin-1-yl]aniline Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N1CCN(C=2C=CC(N)=CC=2)CC1 VXEGSRKPIUDPQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 239000005049 silicon tetrachloride Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000001075 voltammogram Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910005543 GaSe Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007540 photo-reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004028 SiCU Inorganic materials 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QZOVMCPHIQVUGV-UHFFFAOYSA-N [Si].[C].[Si] Chemical compound [Si].[C].[Si] QZOVMCPHIQVUGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000486 photoelectrochemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012686 silicon precursor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Abstract
Išradimas yra skirtas fotoelektrocheminiam silicio-anglies dangų formavimui joniniuose skysčiuose ant p-tipo puslaidininkių, o taip pat metalų ir jų lydinių. Formavimas vyksta joniniame skystyje su silicio chlorido (SiCl4) pirmtaku ant p-tipo silicio (p-Si) ar p-tipo galio selenido (p-GaSe) substratų, juos sužadinant regimojo spektro šviesa. Apšviečiant elektrodą, yra generuojami fotoelektronai, kurie įlaidina substratą katodinės reakcijos atžvilgiu ir skatina silicio ir anglies išskyrimo reakcijas. Pasiūlytu būdu yra suformuojamos šviesai jautrios ir elektrai laidžios silicio bei silicio-anglies struktūros, kurios gali būti nusodintos ant bet kokių elektrai laidžių paviršių. Pavyzdžiui, yra demonstruojamas silicio ir anglies dangų fotoelektrocheminis išskyrimas ant techniškai svarbaus aliuminio-vario lydinio AA 2024. Šios dangos yra svarbios aliuminio gaminių apsaugai nuo degradacijos (korozijos) agresyvioje aplinkoje.
Description
TECHNIKOS SRITIS, KURIAI SKIRIAMAS IŠRADIMAS
Išradimas yra skirtas fotoelektrocheminiam silicio-anglies išskyrimui ir dangų formavimui joniniuose skysčiuose ant p-tipo puslaidininkių, metalų ir jų lydinių.
TECHNIKOS LYGIS
Silicis (Si) yra ypatingai svarbi medžiaga fotovoltaikos ir elektronikos technologijose, nes: (i) šio elemento gausu Žemės plutoje; (ii) jis yra pigus, tvirtas ir draugiškas aplinkai; (iii) Si draudžiamosios energijos tarpas (1,12 eV) gerai atitinka saulės spektro energiją.
Elektrocheminis silicio dangų nusodinimas yra labai svarbus daugelyje taikymo sričių, kaip antai, fotovoltaikoje, antirefleksinių dangų gamyboje, elektrocheminiame vandenilio išskyrime, srovės šaltiniuose, metalų ir jo lydinių apsaugoje nuo korozijos, jutikliuose ir pan. Silicio nusdinimas kambario temperatūroje yra probleminis dėl šio elemento žemo specifinio elektrinio laidumo. Todėl, silicio elektrocheminis išskyrimas yra atliekamas aukštose temperatūrose, pavyzdžiui, ties 800 oC išlydytuose ličio- kalio-silicio fluoriduose, ar kalcio chloride su silicio oksido priedu. Yra žinomi ir ultra- aukštų temperatūrų procesai, kuriuose silicis elektrochemiškai išskiriamas esant tamperatūroms aukštesnėms, nei jo lydymosi temperatūra (>1410 oC). Šie procesai yra plačiai aprašyti monografijoje: E. Juzeliūnas, Silicon. Electrochemistry, production, purification and applications”. Willey-VCH, (2023) ISBN 978-3-527-34897-8 268 pages; DOI:10.1002/9783527831913.)
Minėtieji aukštatemperatūriai metodai yra neekonomiški ir neekologiški dėl didelių energijos sąnaudų, šiltnamio efektą sukeliančių dujų išskyrimo, technologinio sudėtingumo, o taip pat dėl poreikio naudoti brangias specifines medžiagas, kurios būtų atsparios aukštoms temperatūroms.
Yra žinomas elektrocheminis anglies - silicio karbido formavimo būdas aprašytas straipsnyje: Juzeliūnas, E.; Fray, D. J.; Kalinauskas, P.; Valsiūnas, I.; Niaura, G.; Selskis, A.; Jasulaitienė, V. Electrochemical synthesis of photoactive carbon-carbide structure on silicon in molten salt. Electrochem. Commun. 2018, 90, 610. DOI: 10.1016/j.elecom.2018.03.003 (Open access). Elektrochemiškai yra nusodinama silicio-anglies-silicio karbido (Si-C-SiC) struktūra išlydytos druskos (CaCl2) elektrolite esant 950 oC temperatūrai. Anglies šaltiniu (pirmtaku) yra naudojamas anglinis anodas.
Žinomo būdo trūkumai yra šie: (i) anglis nėra įterpiama į silicį, ji nusodinama ant silicio paviršiaus; (ii) aukštoje temperatūroje susiformuoja papildomas komponentas - silicio karbidas; (iii) elektrocheminis procesas vyksta esant 950 oC temperatūrai, todėl metodas yra neekonomiškas dėl jo imlumo energijai; (iv) anglies pirmtaku yra naudojamas anglinis anodas, kuris proceso metu į aplinką išskiria nepageidautiną anglies dvideginį.
Pagal fotoelektrocheminį formavimo principą, artimiausias analogas yra aprašytas straipsnyje: Tsuyuki, Y.; Takai, H.; Fukunaka, Y.; Homma, T. Formation of Si thin films by electrodeposition in ionic liquids for solar cell applications. Jpn. J. Appl. Phys. 2018, 57, 08RB11. DOI: 10.7567/JJAP.57.08RB11. Darbe aprašytas fotoelektrocheminis gryno Si plono sluoksnio formavimas joniniame skystyje panaudojant SiCU pirmtaką ir AlCl3 dopingo priedą ant n-tipo silicio fotoelektrodo. Naudojama fotoelektrocheminė celė, pagaminta iš stiklo, su Ag/Ag+ lyginamuoju ir Pt pagalbiniu elektrodu. Lyginamasis elektrodas yra standartinis, jis reikaligas kontroliuoti darbinio elektrodo potencialą. Darbiniais elektrodais naudoti n-tipo Si bei Au substratas, nusodintas ant Cr pasluoksnio. Potencialų skirtumas užduodamas išoriniu prietaisu - potenciostatu. Elektros srovė tarp lyginamojo ir darbinio elektrodų neteka. Elektros srovė teka tarp pagalbinio Pt elektrodo ir darbinio elektrodo, ant kurio vyksta elektrocheminis nusodinimas. Darbinis n-Si elektrodas turėjo aukštą dopingo koncentraciją (elektrinė varža -1.9x10 Ω cm) ir yra priskirtintinas degeneravusio puslaidininkio kategorijai. Celė užpildoma joninu skysčiu (TMHA-TFSI) su 0,5 M SiCl4 ir 8,8 x 10-4 M AICI3 priedais. Darbinis elektrodas apšviečiamas kvarco halogenine lempa (30 W m-2) ir darbiniam elektrodui suteikiamas neigiamas elektrocheminis potencialas (įtampa).
Artimiausio analogo trūkumas yra tas, kad jame darbiniu elektrodu yra naudojamas n- tipo puslaidininkis (n-Si). Apšviečiant n-tipo puslaidininkį, elektrocheminės redukcijos procesas yra ne greitinamas, bet stabdomas, nes puslaidininkyje yra generuojamos skylės, kurios skatina anodinį procesą, t. y. elektronų pernašą nuo tirpalo aktyvių komponentų į puslaidininkį. Todėl Si plono sluoksnio formavimas ant nedegeneravusio n-tipo puslaidininkio yra probleminis. Be to nėra galimybės suformuoti Si pagrindu kitokių dangų, pavyzdžiui Si-C dangų.
SPRENDŽIAMA TECHNINĖ PROBLEMA
Išradimu siekiama praplėsti fotoelektrocheminiu būdu formuojamų Si pagrindu dangų asortimentą, pavyzdžiui suformuoti silicio-anglies (Si-C) dangas ant p-tipo puslaidininkių (p-Si, p-GaAs). Taip pat siekiama praplėsti medžiagų asortimentą ant kurių galima būtų formuoti fotoelektrocheminiu būdu Si ir Si-C dangas, pavyzdžiui ant lengvųjų metalų lydinių, tokių kaip aliuminio-vario (Al-4Cu) lydinio.
IŠRADIMO ESMĖS ATSKLEIDIMAS
Pagal pasiūlytą išradimą fotoelektrocheminiame dangų silicio pagrindu formavimo joniniuose skysčiuose būde, kuriame naudojama fotoelektrocheminė celė su darbiniu elektrodu, standartiniu lyginamuoju elektrodu ir pagalbiniu elektrodu, kur fotoelektrocheminė celė užpildoma joninio skysčio elektrolitu (TMHA-TFSI) bei SiCl4 pirmtaku, minėtoje fotoelektrocheminėje celėje vykdoma elektrolizė, kurios metu darbinio elektrodo substratas yra apšviečiamas regimąja šviesa, suteikiant jam ektrocheminį potencialą, kur darbinio elektrodo substratas yra iš p-tipo puslaidininkių arba iš elektrai laidžių metalų ar jų lydinių.
Darbinio elektrodo substratas, kaip p-tipo puslaidininkis, yra pasirinktas iš grupės, apimančios p-Si, p-GaAs, p-Ge.
Darbinio elektrodo substratas, kaip elektrai laidus metalas ar metalų lydinys, yra pasirinktas iš grupės, apimančios aliuminį, Al-Cu lydinį, AA2024, aliuminio-magniocinko lydinius, nerūdijančius plienus ASTM 3XX, 4XX.
Elektrolizė yra vykdoma ties elektrolito skaldymo potencialais (E < -4.5 V Ag/Ag+ standartinio lyginamojo elektrodo atžvilgiu), ties kuriais kartu su siliciu yra nusodinama ir anglis bei formuojama Si ar Si - C danga.
Darbinio elektrodo substratas yra Al-Cu lydinys AA2024, o panaudojant katodinę poliarizaciją elektrolizė yra vykdoma ties elektrolito skaldymo potencialais E < -4.5 V Ag/Ag+ standartinio lyginamojo elektrodo atžvilgiu, ties kuriais aliuminio paviršiuje yra redukuojamas natūralus oksido sluoksnis ir Al substratas tampa elektrochemiškai aktyvus.
Suformuota Si arba Si-C danga yra mikronų storio, kuri šviesoje yra laidi elektrai.
Suformuotos Si arba Si-C dangos gali būti naudojamos antikorozinei metalų apsaugai, antireflektinėms dangoms fotovoltaikoje, fotoelektrocheminei vandenilio gamybai iš vandens, ličio ir natrio jonų baterijoms, jutiklių platformoms.
IŠRADIMO NAUDINGUMAS
Siūlomame procese nusodinimas yra atliekamas ant šviesa sužadinto darbinio elektrodo, kuris yra katodiškai poliarizuotas p-tipo puslaidininkis. Naudojama fotoelektrocheminė celė, su Pt lyginamuoju ir pagalbiniu elektrodais. Pt lyginamojo elektrodo potencialas įvertinamas ir perskaičiuojamas standartinio Ag/Ag+ lyginamojo elektrodo atžvilgiu. Dangos formavimas vyksta poliarizuojant darbinį elektrodą išoriniu prietaisu - potenciostatu. Poliarizavimo metu yra matuojama elektros srovė, tekanti tarp pagalbinio ir darbinio elektrodų, bei įtampa tarp darbinio ir lyginamojo elektrodų. Silicio ir anglies foto-redukcija vyksta and darbinių elektrodų iš p-tipo Si ir p-tipo GaAs substratų, kurie yra aktyvuojami fotoelektronais. Pastarieji įlaidina substratą katodinės reakcijos atžvilgiu ir skatina fotoelektrocheminį Si bei Si-C struktūrų (dangų) formavimą. Šios struktūros gali būti suformuotos ir ant kitokių p-tipo puslaidininkių, su sąlyga, kad suteikiama šviesos energija yra pakankama sužadinti elektronus iš valentinės į laidumo juostą. Pagal siūlomą būdą nusodintos Si-C struktūros yra jautrios šviesai, jos yra pakankamai laidžios, kad galėtų vykti fotoelektrocheminis dangos augimas. Danga gali būti formuojama ne tik ant p-tipo puslaidininkio, bet ir ant kitokio elektrai laidaus substrato, pvz., metalų ir jų lydinių. Dangos buvo suformuotos taip pat ir ant aliuminio-vario (Al-Cu) lydinio AA2024, kuriame yra nuo 3,8 % iki 4.9 % vario. Šis lydinys yra plačiai taikomas tose srityse, kur yra reikalingas aukštas stiprio/svorio santykis ir atsparumas nuovargiui, pavyzdžiui, aviacijos ar mašinų komponentams gaminti. Joninio skysčio elektrolite darbiniam elektrodui galima suteikti aukštesnes energijas (aukštesnes poliarizacijas), negu tai įmanoma vandeniniuose tirpaluose
Naudojant p-Si ar p-GaAs substratą ir jį sužadinant šviesa, substrate yra generuojami fotoelektronai, kurie įlaidina substratą katodinės reakcijos atžvilgiu ir katalitina silicio bei anglies redukcijos reakcijas. Tai esminis privalumas, lyginant su artimiausiame analoge naudojamu n-tipo Si substratu.
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
Pav. 1 pavaizduota fotoelektrocheminė celė, skirta Si bei Si-C dangų nusodinimui joniniame skystyje.
Pav. 2a pavaizduota katodinės voltamperogramos nustatytos p-Si darbiniam elektrodui joniniame skystyje esant 40 oC temperatūrai, kur (kr. I) tamsoje, (kr. II) šviesoje, (kr. III) charakterizuoja fotoelektrochemnį silicio nusodinimą.
Pav.2b pavaizduota analogiška diagrama pav. 2a p-GaSe darbinio elektrodo atvejui. Pav. 3a pavaizduotas silicio-anglies dangos ir elementų pasiskirstymo, nustatyto SEM-EDS metodu dangos skersinio pjūvio vaizdas.
Pav.3b pavaizduota silicio-anglies dangos ir elementų pasiskirstymo, nustatytas SEM- EDS metodu anglies mikrostruktūra.
Pav. 3c pavaizduota silicio-anglies danga nusodinta ant AA2024 substrato
Viename iš šio išradimo realizavimo pavyzdžių nusodinimo procesas yra atliekamas ant šviesa sužadinto darbinio elektrodo, kuris yra katodiškai poliarizuotas p-tipo puslaidininkis. Silicio ir anglies foto-redukcija vyksta and darbinio elektrodo iš pSi substrato arba iš p-GaAs substrato, kur substratai yra aktyvuojami fotoelektronais. Pav.1 pateikta principinė fotoelektrochemnės celės 1 konfigūracija, naudojama Si-C dangų nusodinimui iš joninio skysčio elektrolito. P-tipo Si substratas yra gaminamas iš <100> silicio kristalo plokštelės, kurios savitoji varža yra 10 - 30 Ω cm. Natūralus oksido sluoksnis yra pašalinamas tirpaluose H2O2 + H2SO4 (1:1) ir HF (1 HF : 40 H2O). GaAs gaminamas iš <100> kristalo, legiruoto cinku (Zn), kurio koncentracija yra 1,2 1,8x1017 cm3.
Celė 1 užpildoma joniniu skysčiu ir silicio pirmtaku: katijonas - N-trymethyl-Nhexylamonis (TMHA), anijonas - bis(trifluoromethylsulfonyl)amidas (TFSA), pirmtakas - 0,5 M silicio tetrachloridas (SiCl4). Temperatūra (40 oC) yra palaikoma nichromo (NiCr) kaitinimo elementu 2 ir kontroliuojama panaudojant termoporą 3. Naudojamas LED apšvietimas 4 (4700 oK CCT) intensyvumu N = 50 mW cm-2. Šviesos signalas nukreipiamas per kvarcinį optinį langą 5. Darbinis elektrodas 6 poliarizuojamas į potencialų sritį, kurioje vyksta ir silicio redukcija ir elektrolito skaldymas (Pav. 2). Palaikant pastovų darbinio elektrodo 6 potencialą, vyksta silicio redukcija ir elektrolito skaldymas susidarant angliai, dėl to substrato paviršiuje formuojasi silicio-anglies danga (Pav. 3). Dangos formavimas vyksta poliarizuojant darbinį elektrodą 6 išoriniu prietaisu - potenciostatu 7. Poliarizavimo metu yra matuojama elektros srovė, tekanti tarp pagalbinio elektrodo 9 ir darbinio elektrodo 6, bei įtampa tarp darbinio elektrodo 6 ir lyginamojo elektrodo 8.
Pav. 2a yra pavaizduotos katodinės voltamperogramos, kurios identifikuoja pSi pasyvumą tamsoje (I), jo aktyvavimą šviesa (II) ir fotoelektrocheminį silicio nusodinimą (III). Diagrama apibudina principinę silicio nusodinimo galimybę, poliarizacijų zoną ir reakcijos greitį, išreikštą srovės tankio vienetais. Kreivė, gauta be Si pirmtako, charakterizuoja sistemos elektrocheminį langą ir poliarizacijas, kuriose vyksta elektrolito skaldymo reakcija. Analogiška diagrama yra pavaizduota ir p-GaAs atvejui (Pav. 2b).
Pav. 2a katodinės voltamperogramos nustatytos darbiniam p-Si elektrodui joniniame skystyje, esant 40 oC temperatūrai tamsoje (kr. I) ir šviesoje (kr. II). Trečioji kreivė (kr. III) charakterizuoja silicio nusodinimą, kai į elektrolitą pridedamas Si pirmtakas (SiCk). Pav. 2b analogiška diagrama, kaip ir Pav. 2a, tik esant darbiniam elektrodui p-GaSe. Pav. 3 parodo silicio ir anglies pasisikirstymą dangoje, nusodintoje iš joninio skysčio, esant aukštai katodinei poliarizacijai, ties kuria vienu metu vyksta ir elektrolito skaldymas, ir silicio redukcija. Dangą sudaro anglies mikrostruktūra, atsitiktine tvarka pasiskirsčiusi silicio matricoje. Pav. 3c įrodo Si-C dangų nusodinimo galimybę ant metalinių paviršių. Demonstruojamas skersinis pjūvis dangos, kuri buvo fotoelektrochemiškai nusodinta ant pramoninio aliuminio-vario lydinio AA2024.
Pav. 3. Silicio-anglies danga ir elementų pasiskirstymas, nustatytas SEM-EDS metodu. Danga nusodinta esant darbinio elektrodo 6 poliarizacijai AE = -5.7 V, nusodinimo trukmė t = 1200 s; Pav. 3a dangos skersinio pjūvio vaizdas, rodantis dangos storį 0.65 μm. Pav. 3b anglies mikrostruktūra (tamsūs intarpai) silicio matricoje (šviesus fonas); anglies kiekis dangoje 18 masės %; Pav.3c danga, nusodinta ant AA2024 substrato, esant poliarizacijai AE = -3.7 V, anglies kiekis sudaro 17 masės %.
Claims (7)
- IŠRADIMO APIBRĖŽTIS1. Fotoelektrocheminis dangų silicio pagrindu formavimo joniniuose skysčiuose būdas, kuriame naudojama fotoelektrocheminė celė (1) su darbiniu elektrodu (6), standartiniu lyginamuoju elektrodu (8) ir pagalbiniu elektrodu (9), kur fotoelektrocheminė celė (1) užpildoma joninio skysčio elektrolitu (TMHA-TFSI) bei SiCl4 pirmtaku, minėtoje fotoelektrocheminėje celėje (1) vykdoma elektrolizė, kurios metu apšviečiamas regimąja šviesa darbinio elektrodo substratas bei jam suteikiamas ektrocheminis potencialas, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinio elektrodo (6) substratas yra iš p-tipo puslaidininkių arba iš elektrai laidžių metalų ar jų lydinių.
- 2. Būdas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinio elektrodo (6) substratas kaip p-tipo puslaidininkis yra pasirinktas iš grupės, apimančios p-Si, pGaAs, p-Ge.
- 3. Būdas pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinio elektrodo substratas kaip elektrai laidus metalas ar metalų lydinys yra pasirinktas iš grupės, apimančios aliuminį, Al-Cu lydinį, AA2024, aliuminio-magnio-cinko lydinius, nerūdijančius plienus ASTM 3XX, 4XX.
- 4. Būdas pagal 2 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad elektrolizė yra vykdoma ties elektrolito skaldymo potencialais E < -4.5 V Ag/Ag+ standartinio lyginamojo elektrodo (8) atžvilgiu, ties kuriais kartu su siliciu yra nusodinama ir anglis bei formuojama Si ar Si-C danga.
- 5. Būdas pagal 3 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad darbinio elektrodo (6) substratas yra Al-Cu lydinis AA2024, o panaudojant katodinę poliarizaciją elektrolizė yra vykdoma ties elektrolito skaldymo potencialais E < -4.5 V Ag/Ag+ standartinio lyginamojo elektrodo (8) atžvilgiu, ties kuriais aliuminio paviršiuje yra redukuojamas natūralus oksido sluoksnis ir Al substratas tampa elektrochemiškai aktyvus.
- 6. Būdas pagal bet kurį iš 1 -5 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad suformuota Si arba Si-C danga yra nuo 0,1 μm iki 2 μm, kuri šviesoje yra laidi elektrai.
- 7. Suformuotos Si arba Si-C dangos pagal bet kurį iš 1 -6 punktų skirtos naudoti antikorozinei metalų apsaugai, antireflektinėms dangoms fotovoltaikoje, fotoelektrocheminei vandenilio gamybai iš vandens, ličio ir natrio jonų baterijoms, jutiklių platformoms.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2023519A LT7118B (lt) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2023519A LT7118B (lt) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2023519A LT2023519A (lt) | 2024-11-25 |
| LT7118B true LT7118B (lt) | 2025-01-27 |
Family
ID=93560476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2023519A LT7118B (lt) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT7118B (lt) |
-
2023
- 2023-05-19 LT LT2023519A patent/LT7118B/lt unknown
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| E. JUZELIŪNAS: "Silicon. Electrochemistry, production, purification and applications" |
| JUZELIŪNAS, E.; FRAY, D. J.; KALINAUSKAS, P.; VALSIŪNAS, I.; NIAURA, G.; SELSKIS, A.; JASULAITIENĖ, V: "Electrochemical synthesis of photoactive carbon-carbide structure on silicon in molten salt. Electrochem. Commun" |
| TSUYUKI, Y.; TAKAI, H.; FUKUNAKA, Y.; HOMMA, T. : "Formation of Si thin films by electrodeposition in ionic liquids for solar cell applications", J. APPL. PHYS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2023519A (lt) | 2024-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| El Abedin et al. | Additive free electrodeposition of nanocrystalline aluminium in a water and air stable ionic liquid | |
| Maeda et al. | Silicon electrodeposition in water-soluble KF–KCl molten salt: Investigations on the reduction of Si (IV) ions | |
| Kitada et al. | AlCl3-dissolved diglyme as electrolyte for room-temperature aluminum electrodeposition | |
| DK166735B1 (da) | Fremgangsmaade til elektrolytisk genvinding af bly fra blyaffald | |
| Nikolaev et al. | Cathode process in the KF-AlF3-Al2O3 melts | |
| Yasuda et al. | Silicon electrodeposition in a water-soluble KF–KCl molten salt: Properties of Si films on graphite substrates | |
| Sakanaka et al. | Electrodeposition of Si film on Ag substrate in molten LiF–NaF–KF directly dissolving SiO2 | |
| Martinez et al. | Electrodeposition of magnesium from the eutectic LiCl–KCl melt | |
| TW202024400A (zh) | 電解合成用陽極，及，氟氣或含氟化合物之製造方法 | |
| Elwell | Electrocrystallization of semiconducting materials from molten salt and organic solutions | |
| Yasuda et al. | Silicon electrodeposition in a water-soluble KF–KCl molten salt: effects of temperature and current density | |
| Oishi et al. | Process for solar grade silicon production by molten salt electrolysis using aluminum-silicon liquid alloy | |
| Darkowski et al. | Electrodeposition of cadmium telluride using phosphine telluride | |
| Parasotchenko et al. | Study of the silicon electrochemical nucleation in LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 melt | |
| LT7118B (lt) | Fotoelektrocheminis silicio pagrindu dangų formavimo joniniuose skysčiuose būdas | |
| RU2491374C1 (ru) | Электрохимический способ получения сплошных слоев кремния | |
| Kongstein et al. | Electrorefining of silicon in molten calcium chloride | |
| Jiang et al. | Electrorefining of aluminum in urea-imidazole chloride-aluminum chloride ionic liquids | |
| US4759830A (en) | Process for the production of polycrystalline silicon coatings by electrolytic deposition of silicon | |
| Xu et al. | Electrochemical preparation of titanium and its alloy in ionic liquid | |
| Moteki et al. | Electrodeposition of Crystalline Si Using a Liquid Ga Electrode in Molten KF–KCl–K2SiF6 | |
| RU2751201C1 (ru) | Способ электролитического получения кремния из расплавленных солей | |
| RU2747058C1 (ru) | Способ электрохимического осаждения ниобиевых покрытий из бромидных расплавов | |
| Rao | Electrolytic production of magnesium: effect of current density | |
| RU2775044C1 (ru) | Электролитический способ получения покрытий и изделий из ниобия, легированного танталом |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20241125 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20250127 |