RU2754888C1 - Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием - Google Patents
Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754888C1 RU2754888C1 RU2021104642A RU2021104642A RU2754888C1 RU 2754888 C1 RU2754888 C1 RU 2754888C1 RU 2021104642 A RU2021104642 A RU 2021104642A RU 2021104642 A RU2021104642 A RU 2021104642A RU 2754888 C1 RU2754888 C1 RU 2754888C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lithium
- cadmium
- temperature
- carbonate
- nanodispersed
- Prior art date
Links
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 28
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 28
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 25
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 18
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910000011 cadmium carbonate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- GKDXQAKPHKQZSC-UHFFFAOYSA-L cadmium(2+);carbonate Chemical compound [Cd+2].[O-]C([O-])=O GKDXQAKPHKQZSC-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 14
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 4
- 239000008204 material by function Substances 0.000 abstract description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- XIEPJMXMMWZAAV-UHFFFAOYSA-N cadmium nitrate Inorganic materials [Cd+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XIEPJMXMMWZAAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NMHMNPHRMNGLLB-UHFFFAOYSA-N phloretic acid Chemical compound OC(=O)CCC1=CC=C(O)C=C1 NMHMNPHRMNGLLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 3
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 3
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 3
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100086667 Mus musculus Rbms1 gene Proteins 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- BAAYWLNVHTVAJJ-UHFFFAOYSA-L cadmium(2+);diformate Chemical compound [Cd+2].[O-]C=O.[O-]C=O BAAYWLNVHTVAJJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 4-(3,5-dimethylphenyl)-1,3-thiazol-2-amine Chemical compound CC1=CC(C)=CC(C=2N=C(N)SC=2)=C1 MGWGWNFMUOTEHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical group [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001595 contractor effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N nickel(ii) nitrate Chemical class [Ni+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O KBJMLQFLOWQJNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 238000001149 thermolysis Methods 0.000 description 1
- 238000000584 ultraviolet--visible--near infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 108700026220 vif Genes Proteins 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
- H01L31/02963—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe characterised by the doping material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/28—Materials of the light emitting region containing only elements of Group II and Group VI of the Periodic Table
- H01L33/285—Materials of the light emitting region containing only elements of Group II and Group VI of the Periodic Table characterised by the doping materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии функциональных материалов, конкретно к технологии оптически прозрачных оксидных полупроводников, применяемых в оптоэлектронике, фотовольтаике и плазмонике. Согласно изобретению предложен способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, включающий получение исходной смеси путем растворения карбоната кадмия и карбоната лития, взятых в стехиометрическом соотношении, в 10%-ной муравьиной кислоте, взятой в количестве 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития, упаривание полученной смеси при температуре 50-60 °С до получения сухого остатка и отжиг при температуре 300-320 °С в течение 0,5 часа на первой стадии и при фиксированном значении температуры, находящейся в интервале 500-900 °С, в течение 1 часа на второй стадии. Полученный согласно изобретению нанодисперсный оксид кадмия, допированный литием, оптически прозрачный в видимом диапазоне спектра, характеризуется увеличением ширины интервала значений запрещенной зоны с выраженным линейным характером зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации лития и температуры отжига. 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к технологии функциональных материалов, конкретно, к технологии оптически прозрачных оксидных полупроводников, применяемых в оптоэлектронике, фотовольтаике и плазмонике. Оксид кадмия со структурой каменной соли, являющийся полупроводником n-типа с шириной запрещенной щели Eg ~ 2.2 эВ, обладает высокой электрической проводимостью и оптической прозрачностью в видимом диапазоне спектра (S. Majumder, A.C. Mendhe, D. Kim, B.R. Sankapa, CdO nanonecklace: Effect of air annealing on performance of photo electrochemical cell, Journal of Alloys and Compounds 788 (2019) 75-82. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.159), что объясняет широкий круг его технологических применений в производстве солнечных элементов, фототранзисторов, фотодиодов, прозрачных тепловых зеркал, ИК-детекторов, фотокатализаторов, а также газо-сенсорных устройств и термоэлектриков. Одним из важнейших физических свойств оксида кадмия, как оптически прозрачного полупроводника, которое имеет решающее значение для реализации перечисленных выше практических приложений, является ширина запрещенной зоны – мера его прозрачности и фотоактивности. По этой причине в последние годы большое внимание уделяется разработке методов синтеза наноразмерного оксида кадмия с заданными значениями ширины запрещенной зоны, эффекта расширения/сужения которой добиваются путем его легирования другими элементами и варьирования условиями синтеза.
Известен способ получения нанодисперсного порошка оксида кадмия с заданными значениями ширины запрещенной зоны, основанный на термолизе формиата кадмия и отжиге продуктов в температурном интервале 500-900 °C на воздухе. Формиат кадмия состава Cd(HCOO)2·2H2O, нагревали на воздухе в термостойкой стеклянной посуде при 300 °C. Образовавшуюся темно-коричневую массу тщательно перетирали в агатовой ступке, переносили в алундовый тигель и, выдержав при 400 °C в течение 2 часов, последовательно отжигали на воздухе при 500, 600, 700, 750, 800, 850 и 900 °C с выдержкой при каждой температуре в течение 1 часа. Были полученные образцы нанодисперсного оксида кадмия с размером частиц порядка 85 нм имели следующие значения ширины запрещенной щели: 1,95 (500 °C), 1,95 (600 °C), 1,90 (700 °C), 1,75 (800 °C) и 1,50 эВ (900 °C) (V.N. Krasil’nikov, I.V. Baklanova, V.P. Zhukov, О.I. Gyrdasova, Т.V. Dyachkova, А.P. Tyutyunnik, Thermally stimulated infrared shift of cadmium oxide optical absorption band edge, Materials Science in Semiconductor Processing 124 (2021) 105605. https: // doi. Org /10.1016/ j. mssp. 2020. 105605).
Недостатками известного способа является узкий интервал значений ширины запрещенной зоны 1,95-1,55 эВ (ΔEg = 0,4 эВ) и нелинейный характер ее зависимости от температуры отжига.
Известен способ получения нанодисперсного оксида кадмия с заданными значениями ширины запрещенной щели, основанный на термообработке смеси нитрата кадмия с поливинилпирролидоном (ПВП) и прокаливании продукта при разных температурах. К раствору, содержащему ПВП, добавляли нитрат кадмия Cd(NO3)2 4H2O при непрерывном перемешивании в течение 2 часов. Полученный бесцветный раствор высушивали при 80 °C в течение 24 часов и образовавшееся твердое вещество измельчали в ступке в течение 30 мин до порошкообразного состояния. Затем порошок прокаливали при 500, 550, 600 и 650 °C в течение 3 часов. Синтезированные образцы нанодисперсного оксида кадмия имели следующие значения ширины запрещенной щели: 2,14 эВ (500 °C), 2,13 эВ (550 °C), 2,11 эВ (600 °C) и 2,08 эВ (650 °C) (N.M. Al-Hada, E.B. Saion, A.H. Shaari, M.A. Kamarudin, M.H. Flaifel, S.H. Ahmad, A. Gene, A facile thermal-treatment route to synthesize the semiconductor CdO nanoparticles and effect of calcination, Materials Science in Semiconductor Processing 26 (2014) 460–466. http://dx.doi.org/10.1016/j.mssp.2014.05.032).
Недостатки известного способа являются, во-первых, выделение токсичных оксидов азота при разложении нитрата кадмия; во-вторых, узкий интервал значений ширины запрещенной зоны 2,14-2.08 эВ (ΔEg = 0,06 эВ).
Известен способ получения оптического полупроводникового сложного оксида состава ZnxCd1-xO, где 0<х≤0,073. Формирование тонкой пленки оксида цинка, содержащей кадмий, проводилось в соответствии с методом лазерной молекулярно-пучковой эпитаксии. Использовался KrF эксимерный лазер (длина волны: 248 нм, частота импульсов: 10 Гц), и мощность лазера устанавливалась равной 1 Дж/см2. Путем использования спеченного изделия из ZnO, содержащего 0-20 мол% кадмия, формировалась пленка на поверхности подложки сапфира (0001) при температуре осаждения 400 °C и парциальном давлении кислорода 6,67⋅10-3 Торр. Содержание кадмия в сформированной таким образом тонкой пленке измерялось посредством плазменно-эмиссионного анализа и путем использования рентгеноструктурного микроанализатора. Величина запрещенной зоны в зависимости от концентрации кадмия равна 2,8-3,29 эВ (патент RU 2169413, МПК G01L 33/00, 2000 год).
Недостатками известного способа являются, во-первых, низкая оптическая активность в видимом диапазоне спектра, поскольку поглощение в основном наблюдается в УФ диапазоне; во-вторых, небольшое изменение ширины запрещенной зоны от 3,28 эВ до 2,99 эВ при максимально возможной концентрации кадмия.
Известен способ получения оптически прозрачных проводящих пленок на основе оксида кадмия, допированного магнием, путем высокочастотного магнетронного распыления на подложку с использованием в качестве мишеней оксида кадмия и оксида магния с чистотой не менее 99,99%, при достижении вакуума 2⋅10-6 Торр температура подложки повышается и стабилизируется в районе 270 °С и выдерживается в течение 10-20 минут в атмосфере аргона, после чего подача аргона прекращается, подложка охлаждается до комнатной температуры в вакууме 1.0⋅10-6 Торр. Полученные пленки в зависимости от концентрации магния характеризуются шириной запрещенной зоны 2,79 эВ; 3,05 эВ; 3,31 эВ (патент CN 103074577; МПК C23C 14/08, C23C 14/35; 2015 год).
Недостатками известного способа являются, во-первых, сложная и энергозатратная технология, предназначенная исключительно для получения материала в виде тонких пленок; во-вторых, низкая оптическая активность в видимом диапазоне спектра.
Известен способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного никелем, с заданными значениями ширины запрещенной зоны. Способ включает стадию микроволновой обработки растворов стехиометрических смесей нитратов кадмия и никеля в этиленгликоле и отжига продуктов при 500 °C в муфельной печи. При введении никеля в оксид кадмия ширина запрещенной зоны уменьшается относительно 2,13 эВ для CdO и составляет 2,09, 1,97, 2,05, 2,00 и 2,03 эВ для 2, 4, 6, 8 и 10 масс% Ni соответственно (R.O. Yathisha, Y.A. Nayaka, P. Manjunatha, M. Vinay, H.T. Purushotham, Doping, structural, optical and electrical properties of Ni2+ doped CdO nanoparticles prepared by microwave combustion route, Microchemical Journal 145 (2019) 630-641. https: // doi.org / 10.1016 / j. microc. 2018.10.060).
Недостатки известного способа являются; во-первых, выделение токсичных газообразных продуктов, включая диоксид азота; во-вторых, узкий интервал полученных значений ширины запрещенной зоны 2.09 - 1,97 эВ (ΔEg = 0,16 эВ); в-третьих, нелинейный характер зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации никеля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, с заданными значениями ширины запрещенной зоны, состава CdO:Li (содержание Li около 1%). Исходные образцы получали в виде толстых пленок с размером частиц порядка 40 нм, осажденных на стеклянных подложках методом вакуумного напыления в одинаковых условиях. Исходными реагентами служили гидроксид лития Li(OH) и оксид кадмия CdO. Выращенные пленки стабилизировали путем отжига на воздухе при 400 °C в течение 2 часов и затем нагревали при 600 °C на воздухе, в атмосфере азота, водорода и аммиака. Ширина запрещенной зоны пленок при фиксированном значении концентрации лития в зависимости от состава газовой среды отжига при 600 °C составляла 2,02 (воздух), 1,93 (азот), 1,87 (водород) и 1,77 эВ (аммиак) (A. Dakhel, Effect of thermal annealing in different gas atmospheres on the structural, optical, and electrical properties of Li-doped CdO nanocrystalline films, Solid State Sciences 13 (2011) 1000-1005. doi:10.1016/j.solid state sciences. 2011.02.002) (прототип).
Недостатки известного способа: во-первых, использование сложного оборудования; во-вторых, узкий интервал полученных значений ширины запрещенной зоны 2,02-1,77 эВ (ΔEg = 0,25 эВ).
Таким образом, перед авторами стояла задача с целью расширения номенклатуры используемых оптических полупроводниковых материалов разработать простой способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, оптически прозрачного в видимом диапазоне спектра, характеризующегося увеличением ширины интервала значений запрещенной зоны с выраженным линейным характером зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации лития и температуры отжига.
Поставленная задача решена в способе получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, включающем получение исходной смеси неорганических соединений кадмия и лития с последующим отжигом в две стадии, в котором исходную смесь получают путем растворения карбоната кадмия и карбоната лития, взятых в стехиометрическом соотношении, в 10%-ной муравьиной кислоте, взятой в количестве 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития, упаривание полученной смеси при температуре 50-60 °С до получения сухого остатка, а отжиг проводят при температуре 300-320 °С в течение 0,5 часа на первой стадии и при фиксированном значении температуры, находящейся в интервале 500-900 °С, в течение 1 часа на второй стадии.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, с использованием в качестве исходных реагентов карбонатов кадмия и лития с последующей обработкой полученной смеси в предлагаемых условиях.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает получение нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, CdO:(Li – 2,5-10 мол%) с эффектом сужения запрещенной зоны за счет повышения концентрации лития и температуры. Температурные зависимости ширины запрещенной зоны материала с фиксированным значением концентрации лития близки к линейным. При этом как показали исследования, проведенные авторами, конечный продукт может быть получен только при условии соблюдения содержания лития в пределах 2,5-10 мол%. При несоблюдении этих значений конечный продукт становится не однофазными за счет присутствия примеси карбоната лития. Получение допированного литием нанодисперсного оксида кадмия CdO:(Li – 2,5-10 мол%) может быть осуществлено только при условии соблюдения параметров, заявленных в предлагаемом способе. При уменьшении температуры отжига ниже 300 °С на первой стадии в конечном продукте наблюдается примесь карбоната лития. При увеличении температуры отжига выше 320 °С на первой стадии отжига наблюдается интенсивный разогрев и частичный унос продукта с потоком отходящих газов. При уменьшении температуры отжига ниже 500 °С конечный продукт является не однофазным с примесной фазой карбоната лития. При увеличении температуры отжига выше 900 °С происходят структурные изменения материала, связанные с испарением кадмия.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Способ включает растворение взятых в стехиометрическом соотношении карбоната кадмия состава CdCO3 и карбоната лития состава Li2CO3 в разбавленной муравьиной кислоте (10%) состава НСООН, взятой в количестве 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития, при комнатной температуре, упаривание полученного раствора при температуре 50 - 60 °С до образования сухого остатка, отжиг на воздухе в две стадии: при температуре 300-320 °С в течение 0,5 часа на первой стадии и при фиксированном значении температуры, находящейся в интервале 500-900 °С, в течение 1 часа на второй стадии, охлаждение продукта до комнатной температуры. Состав и структуру конечного материала контролировали рентгенофазовым анализом (см. табл.) Концентрацию лития определяли методом абсорбционной спектроскопии в пламени ацетилена на воздухе с использованием прибора Perkin-Elmer и методом атомной эмиссии с использованием анализатора спектра JY-48 с индуцированной плазмой. Размер частиц оценивали рентгенографически по методу Вильямса-Холла. Спектры UV–Vis–NIR записывали в диапазоне 400 – 1200 нм на спектрометре UV-2600 (Shimadzu) с использованием BaSO4 в качестве стандарта. Ширину запрещенной зоны полученных нанопорошков оценивали с использованием функции Кубелки-Мунка α(ν) = [A(hν - Eg)1/2]/hν, где α – коэффициент поглощения, hν – энергия фотона, Eg – оптическая ширина запрещенной зоны, А – не зависящая от частоты ν постоянная.
Таблица.
Параметры решетки (a, Å) и (V, Å3) образцов CdO:Li, полученных отжигом на второй стадии при температурах 500÷900 °C.
| 2,5 мол% Li | 5,0 мол% Li | 10,0 мол% Li | ||||
| T, oC | a, Å | V, Å3 | a, Å | V, Å3 | a, Å | V, Å3 |
| 500 | 4,6972 | 103,64 | 4,6971 | 103,63 | 4,6971 | 103,63 |
| 600 | 4,6969 | 103,62 | 4,6964 | 103,59 | 4,6969 | 103,62 |
| 700 | 4,6967 | 103,60 | 4,6963 | 103,58 | 4,6964 | 103,59 |
| 800 | 4,6971 | 103,63 | 4,6964 | 103,59 | 4,6966 | 103,60 |
| 900 | 4,6968 | 103,61 | 4,6964 | 103,59 | 4,6966 | 103,60 |
На фиг. 1 (а, б, в) изображены дифрактограммы образцов материала состава CdO:(Li – 2,5; 5,0; 10,0 мол%), полученных при нагревании на второй стадии на воздухе при температуре 900 °C с выдержкой в течение 1 часа.
На фиг. 2а изображены абсорбционные кривые и линейная зависимость ширины запрещенной зоны состава CdO:(2,5 мол% Li) от температуры отжига на второй стадии на воздухе.
На фиг. 2б изображены абсорбционные кривые и линейная зависимость ширины запрещенной зоны состава CdO:(5,0 мол% Li) от температуры отжига на второй стадии на воздухе.
На фиг. 2в изображены абсорбционные кривые и линейная зависимость ширины запрещенной зоны состава CdO:(10,0 мол% Li) от температуры отжига на второй стадии на воздухе.
Получение нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Навеску из 9,0 г. карбоната кадмия состава CdCO3 («ч.д.а.») и 0,0495 г. карбоната лития состава Li2CO3 («ос.ч.»), что соответствует стехиометрическому соотношению, растворяют при комнатной температуре в 50,7 мл 10% муравьиной кислоты состава HCOOH, что соответствует 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития. Раствор выдерживают при температуре 50 °С до образования сухого остатка, который отжигают в две стадии на воздухе при температуре 300 °С в течение 0,5 часа на первой стадии, перетирают в фарфоровой ступке и делят на порции, каждую из которых отжигают при 500, 600, 700, 800 и 900 °C с выдержкой в течение 1 часа. По данным рентгенофазового анализа были получены образцы допированного литием оксида кадмия состава CdO:(2,5 мол% Li) со средним размером частиц 87 нм, которые имели следующие значения ширины запрещенной зоны: 2,00 (500 °C), 1,90 (600 °C), 1,80 (700 °C), 1,65 (800 °C) и 1,55 эВ (900 °C) (ΔEg = 0,45 эВ) (см. фиг. 2а).
Пример 2. Навеску из 9,0 г. карбоната кадмия состава CdCO3 («ч.д.а.») и 0,1014 г. карбоната лития состава Li2CO3 («ос.ч.»), что соответствует стехиометрическому соотношению, растворяют при комнатной температуре в 51,0 мл 10% муравьиной кислоты состава HCOOH, что соответствует 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития. Раствор выдерживают при температуре 60 °С до образования сухого остатка, который отжигают на воздухе в две стадии : при температуре 320 °С в течение 0,5 часа, затем перетирают в фарфоровой ступке и делят на порции, каждую из которых отжигают при 500, 600, 700, 800 и 900 °C с выдержкой в течение 1 часа на второй стадии. По данным рентгенофазового анализа были получены образцы допированного литием оксида кадмия состава CdO:(5 мол% Li) со средним размером частиц порядка 90 нм, которые имели следующие значения ширины запрещенной зоны: 2,00 (500 °C), 1,90 (600 °C), 1,70 (700 °C), 1,6 (800 °C) и 1,45 эВ (900 °C) (ΔEg = 0,55 эВ) (см. фиг. 2б).
Пример 3. Навеску из 9,0 г. карбоната кадмия состава CdCO3 («ч.д.а.») и 0,2142 г. карбоната лития состава Li2CO3 («ос.ч.»), что соответствует стехиометрическому соотношению, растворяют при комнатной температуре в 51,6 мл 10% муравьиной кислоты состава HCOOH, что соответствует 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития. Раствор выдерживают при температуре 50 °С до образования сухого остатка, который отжигают на воздухе в две стадии: при температуре 300 °С в течение 0,5 часа на первой стадии, перетирают в фарфоровой ступке и делят на порции, каждую из которых отжигают при 500, 600, 700, 800 и 900 °C с выдержкой в течение 1часа на второй стадии. По данным рентгенофазового анализа были получены образцы допированного литием оксида кадмия состава CdO:(10 мол% Li) со средним размером частиц 89 нм, которые имели следующие значения ширины запрещенной щели: 2,00 (500 °C), 1,85 (600 °C), 1,65 (700 °C), 1,45 (800 °C) и 1,35 эВ (900 °C) (ΔEg = 0,35 эВ) (см. фиг. 2в).
Таким образом, авторами предлагается простой способ получения нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, оптически прозрачного в видимом диапазоне спектра, характеризующегося увеличением ширины интервала значений запрещенной зоны с выраженным линейным характером зависимости ширины запрещенной зоны от концентрации лития и температуры отжига.
Claims (1)
- Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием, включающий получение исходной смеси неорганических соединений кадмия и лития с последующим отжигом в две стадии, отличающийся тем, что исходную смесь получают путем растворения карбоната кадмия и карбоната лития, взятых в стехиометрическом соотношении, в 10%-ной муравьиной кислоте, взятой в количестве 5,6 мл раствора кислоты на 1 г суммарного количества карбоната кадмия и карбоната лития, затем упаривают полученную смесь при температуре 50-60 °С до получения сухого остатка, а отжиг проводят при температуре 300-320 °С в течение 0,5 часа на первой стадии и при фиксированном значении температуры, находящейся в интервале 500-900 °С, в течение 1 часа на второй стадии.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104642A RU2754888C1 (ru) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021104642A RU2754888C1 (ru) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2754888C1 true RU2754888C1 (ru) | 2021-09-08 |
Family
ID=77670293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021104642A RU2754888C1 (ru) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2754888C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6057561A (en) * | 1997-03-07 | 2000-05-02 | Japan Science And Technology Corporation | Optical semiconductor element |
| US6423983B1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-07-23 | North Carolina State University | Optoelectronic and microelectronic devices including cubic ZnMgO and/or CdMgO alloys |
| CN103074577A (zh) * | 2013-02-17 | 2013-05-01 | 淮阴师范学院 | 氧化镉镁合金透明导电薄膜及其制备方法 |
-
2021
- 2021-02-25 RU RU2021104642A patent/RU2754888C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6057561A (en) * | 1997-03-07 | 2000-05-02 | Japan Science And Technology Corporation | Optical semiconductor element |
| US6423983B1 (en) * | 2000-10-13 | 2002-07-23 | North Carolina State University | Optoelectronic and microelectronic devices including cubic ZnMgO and/or CdMgO alloys |
| CN103074577A (zh) * | 2013-02-17 | 2013-05-01 | 淮阴师范学院 | 氧化镉镁合金透明导电薄膜及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. Dakhel, Effect of thermal annealing in different gas atmospheres on the structural, optical, and electrical properties of Li-doped CdO nanocrystalline films, Solid State Sciences 13 (2011) 1000-1005. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Studenikin et al. | Optical and electrical properties of undoped ZnO films grown by spray pyrolysis of zinc nitrate solution | |
| Goswami et al. | Structural and optical properties of unannealed and annealed ZnO nanoparticles prepared by a chemical precipitation technique | |
| Chand et al. | Structural, morphological and optical study of Li doped ZnO thin films on Si (100) substrate deposited by pulsed laser deposition | |
| Hermawan et al. | High temperature hydrogen gas sensing property of GaN prepared from α-GaOOH | |
| Sakhare et al. | Nanocrystalline SnO2 thin films: structural, morphological, electrical transport and optical studies | |
| Tiwari et al. | Solid state synthesis and e-beam evaporation growth of Cu2ZnSnSe4 for solar energy absorber applications | |
| Olgar et al. | Impact of sulfurization parameters on properties of CZTS thin films grown using quaternary target | |
| Saha et al. | Effect of Co doping on structural, optical, electrical and thermal properties of nanostructured ZnO thin films | |
| Shankar et al. | Study of dark-conductivity and photoconductivity of ZnO nano structures synthesized by thermal decomposition of zinc oxalate | |
| Kulkarni et al. | Synthesis and characterization of uniform spherical shape nanoparticles of indium oxide | |
| Bonomi et al. | Physical and chemical vapor deposition methods applied to all-inorganic metal halide perovskites | |
| Zargar et al. | Crystallographic, spectroscopic and electrical study of ZnO: CdO nanocomposite-coated films for photovoltaic applications | |
| Wu et al. | Self-catalyst β-Ga 2 O 3 semiconductor lateral nanowire networks synthesis on the insulating substrate for deep ultraviolet photodetectors | |
| Torres Martínez et al. | Undoped tin oxide thin films obtained by the sol gel technique, starting from a simple precursor solution | |
| Jäger-Waldau et al. | WSe2 thin films prepared by soft selenization | |
| Shaikh et al. | Exploration of the spray deposited Cadmium Telluride thin films for optoelectronic devices | |
| Wang et al. | Preparation, structural and sintering properties of AZO nanoparticles by sol-gel combustion method | |
| Olofinjana et al. | Single solid source precursor route to the synthesis of MOCVD Cu-Cd-S thin films | |
| Maskaeva et al. | Composition, structure and functional properties of nanostructured PbSe films deposited using different antioxidants | |
| RU2754888C1 (ru) | Способ получения оптического полупроводникового материала на основе нанодисперсного оксида кадмия, допированного литием | |
| Souza et al. | Structural, thermal and optical studies of mechanical alloyed Ga40Se60 mixture | |
| Hong et al. | Bi2O3/TiO2 coaxial nanorods: Synthesis, characterization and photoluminescence properties | |
| Hosen et al. | Optical and electrical properties of crystalline indium tin oxide thin film deposited by vacuum evaporation technique | |
| Timmo et al. | Influence of alkali iodide fluxes on Cu 2 ZnSnS 4 monograin powder properties and performance of solar cells | |
| Borges et al. | Structural, thermal, optical, and photoacoustic study of mechanically alloyed nanocrystalline SnTe |