Сенсорные свойства тонкопленочных структур CdxPb1 – xS/CdS, полученных химическим осаждением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методом химического осаждения получены двухфазные тонкопленочные композиты, состоящие из твердых растворов замещения CdxPb1 − xS (0.007 ≤ x ≤ 0.068) кубической структуры B1 (пр. гр. \(Fm\bar {3}m\)) и аморфного сульфида кадмия CdS. Методом атомно-силовой микроскопии исследована топология поверхности синтезированных пленок, рассчитаны параметры микрорельефа поверхности. Установлена корреляция между составом и функциональными свойствами тонкопленочных слоев CdS–PbS. Впервые исследована чувствительность двухфазных пленок CdxPb1 – xS/CdS к аммиаку NH3 в воздушной среде. Предел обнаружения составил 10 ppm (6.22 мг/м3) при комнатной температуре.

Об авторах

А. Д. Селянина

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Д. А. Дёмина

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Л. Н. Маскаева

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19; Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 22

В. И. Воронин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО Российской академии наук

Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620108, Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

И. О. Селянин

Институт химии твердого тела УрО Российской академии наук

Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620990, Екатеринбург, ул. Первомайская, 91

В. Ф. Марков

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

Email: n-kutyavina@mail.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19; Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 22

Список литературы

  1. Bai R., Kumar D., Chaudhary S., Pandya D.K. Highly Crystalline p-PbS Thin Films with Tunable Optical and Hole Transport Parameters by Chemical Bath Deposition // Acta Mater. 2017. V. 131. P. 11–21. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.03.062
  2. Petrus R.Y., Ilchuk H.A., Kashuba A.I., Semkiv I.V., Zmiiovska E.O. Optical-Energy Properties of CdS Thin Films Obtained by the Method of High-Frequency Magnetron Sputtering // Opt. Spectrosc. 2019. V. 126. № 3. P. 220–225. https://doi.org/10.1134/S0030400X19030160
  3. Rajathia S., Kirubavathi K., Selvaraju K. Preparation of Nanocrystalline Cd-Doped PbS Thin Films and Their Structural and Optical Properties // J. Taibah Univ. Sci. 2017. V. 11. № 6. P. 1296–1305 https://doi.org/10.1016/j.jtusci.2017.05.001
  4. Kaushik H.K., Kumar S., Chaudhary M.G., Khan S. Optical Properties of CdS:Pb Thin Layer Deposited on Glass Substrate // Indian J. Pure Appl. Phys. 2020. V. 58. P. 11–15.
  5. Suryavanshi K.E., Dhake R.B., Patil A.M., Sonawane M.R. Growth Mechanism and Transport Properties of Chemically Deposited PbxCd1 – xS Thin Film’s Photoelectrochemical (PEC) Solar Cell // Optik. 2020. V. 218. P. 165008. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165008
  6. Barote M.A., Kamble S.S., Deshmukh L.P., Masumdar E.U. Photo-Electrochemical Performance of Cd1 − xPbxS (0 ≤ x ≤ 1) Thin Films // Ceram. Int. 2013. V. 39. № 2. P. 1463–1467. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.07.090
  7. Ounissi A., Ouddai N., Achour S. Optical Characterisation of Chemically Deposited Pb(1−x)CdxS Films and a Pb1 − xCdxS(n)/Si(p) Heterojunction // EPJ Appl. Phys. 2007. V. 37. № 3. P. 241–245. https://doi.org/10.1051/epjap:2007034
  8. Touati B., Gassoumi A., Guasch C., Turki N.K. Cd2+ Doped PbS Thin Films for Photovoltaic Applications: Novel Low-Cost Perspective // Mater. Sci. Semicond. Process. 2017. V. 67. P. 20–27. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2017.05.004
  9. Hakeem H.S., Abbas N.K. Preparing and Studying Structural and Optical Properties of Pb1 − xCdxS Nanoparticles of Solar Cells Applications // Baghdad Sci. J. 2021. V. 18. № 3. P. 640–648. https://doi.org/10.21123/bsj.2021.18.3.0640
  10. Gogoi L., Gogoi J., Chetia R., Chamua M., Konwer S., Saikia P.K. Role of Concentration on CdxPb1 – xS Thin Films: Synthesis, Characterization and Photovoltaic Cells Properties // Bull. Mater. Sci. 2022. V. 45. № 4. P. 220–237. https://doi.org/10.1007/s12034-022-02801-6
  11. Маскаева Л.Н., Марков В.Ф., Порхачев М.Ю., Мокроусова О.А. Термическая и радиационная устойчивость ИК-детекторов на основе пленок твердых растворов CdxPb1 – xS // Пожаровзрывобезопасность. 2015. Т. 24. № 9. С. 67–73.
  12. Маскаева Л.Н., Ваганова И.В., Марков В.Ф., Бездетнова А.Е., Селянина А.Д., Воронин В.И., Селянин И.О. Влияние структурно-морфологических характеристик на сенсорные свойства пленок CdxPb1 – xS // ФТП. 2021. Т. 55. № 12. С. 1186–1194. https://doi.org/10.21883/FTP.2021.12.51704.9726
  13. Селянина А.Д., Маскаева Л.Н., Воронин В.И., Селянин И.О., Анохина И.А., Марков В.Ф. Структура и свойства двухфазных слоев CdxPb1 – xS/CdS, полученных химическим осаждением из этилендиамин-цитратной системы // ФТП. 2022. Т. 56. № 4. С. 408–419. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.04.52196.9783
  14. Pentia E., Draghici V., Sarau G., Mereu B., Pintilie L., Sava F., Popescu M. Structural, Electrical, and Photoelectrical Properties of CdxPb1 – xS Thin Films Prepared by Chemical Bath Deposition // J. Electrochem. Soc. 2004. V. 151. № 11. P. G729–G733. https://doi.org/10.1149/1.1800673
  15. Fu T. Research on Gas-Sensing Properties of Lead Sulfide-Based Sensor for Detection of NO2 and NH3 at Room Temperature // Sens. Actuators, B. 2009. V. 140. № 1. P. 116–121. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.03.075
  16. Saravanakumar S., Usha K.S., Prasath G.V. Ammonia Gas Sensing Performance of Co/Ni Co-Doped CdS Thin Films by Chemical Bath Deposition // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2023. V. 34. № 3. https://doi.org/10.1007/s10854-022-09396-y
  17. Fu T. Sensing Behavior of CdS Nanoparticles to SO2, H2S and NH3 at Room Temperature // Mater. Res. Bull. 2013. V. 48. № 5. P. 1784–1790. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.01.037
  18. Dayana M.A., Rayar V.W. Camphor Sulfonic Acid Protonated Poly(2,5dimethoxyaniline) – Cadmium Sulfide Blend Thin Film for Ammonia Gas Sensing Application // Int. J. Innovative Technol. Exploring Eng. 2019. V. 8. № 10. P. 3237–3242. https://doi.org/10.35940/ijitee.J1176.0881019
  19. Akbar A., Das M., Sarkar D. Room Temperature Ammonia Sensing by CdS Nanoparticle Decorated Polyaniline (PANI) Nanorods // Sens. Actuators, A. 2020. V. 310. P. 112071. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112071
  20. Kaci S., Keffous A., Hakoum S., Trari M., Mansri O., Menari H. Preparation of Nanostructured Pbs Thin Films as Sensing Element for NO2 Gas // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 305. P. 740–746. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.03.190
  21. Navale S.T., Bandgar D.K., Chougule M.A., Patil V.B. Facile Method of Preparation of Pbs Films for NO2 Detection // RSC Advances. V. 5. № 9. P. 6518–6527. https://doi.org/10.1039/C4RA15644G
  22. Марков В.Ф., Гращенкова К.В., Маскаева Л.Н., Шашмурин Ю.Г., Кутявина А.Д. Фотоадсорбционный эффект в пленках твердых растворов CdPbS // Бутлеровские сообщ. 2020. Т. 62. № 6. С. 55–64.
  23. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Поликарпова Ю.С., Миронов М.П., Родин В.Н., Соловьев Л.С., Берг Б.В., Потапов В.Н. Полупроводниковый чувствительный элемент для селективного детектора оксидов азота и способ его получения: Пат. №2305830 РФ. Выдан 10.09.2007.
  24. Bezdetnova A.E., Markov V.F., Maskaeva L.N., Shashmurin Yu.G., Frants A.S., Vinogradova T.V. Determination of Nitrogen Dioxide by Thin-Film Chemical Sensors Based on CdxPb1 – xS // J. Anal. Chem. 2019. V. 74. № 12. P. 1256–1262. https://doi.org/10.1134/S1061934819120025
  25. Maskaeva L.N., Vaganova I.V., Markov V.F., Voronin V.I., Belov V.S., Lipina O.A., Mostovshchikova E.V., Miroshnikova I.N. A Nonlinear Evolution of the Structure, Morphology, and Optical Properties of PbS–CdS Films with Cadmium Nitrate in the Reaction Mixture // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. P. 10600–10614. https://doi.org/10.1039/d1cp00775k
  26. Сарыева Р.Х., Кожевникова Н.С., Маскаева Л.Н., Воронин В.И., Липина О.А., Еняшин А.Н., Бамбуров В.Г. Наноструктурированные пленки Pb(S,O): синтез, механизм осаждения и оптические свойства // ЖФХ. 2020. Т. 94. № 12. С. 1776–1782. https://doi.org/10.31857/S0044453720120262
  27. Onyia A.I. Optical Properties of Chemical bath Deposited CdS/PbS Heterojunction Thin Films: Effects of Annealing Treatments // J. Non-Oxide Glasses. 2018. V. 10. № 2. P. 49–56.
  28. Hariech S., Bougdira J., Belmahi M., Medjahdi G., Aida M.S., Zertal A. Effect of Deposition Time on Chemical Bath Deposited CdS Thin Films Properties // Bull. Mater. Sci. 2022. V. 45. № 78. https://doi.org/10.1007/s12034-022-02661-0
  29. Смирнов Б.М. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991. 136 с.
  30. Weber M.J. Handbook Laser Science and Technology. London: CRC Press LLC, 2003. 499 p.
  31. Маскаева Л.Н., Поздин А.В., Марков В.Ф., Воронин В.И. Влияние природы подложки на состав пленок CdPbS и механические напряжения на интерфейсе “пленка−подложка” // ФТП. 2020. Т. 54. № 12. С. 1309–1319. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.12.50230.9506
  32. Corll J.A. Recovery of the High-Pressure Phase of Cadmium Sulfide // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. № 10. P. 3032–3033. https://doi.org/10.1063/1.1713151
  33. Susa K., Kobayashi T., Taniguchi S. High-Pressure Synthesis of Rock-Salt Type CdS Using Metal Sulfide Additives // J. Solid State Chem. 1980. V. 33. P. 197–202. https://doi.org/10.1016/0022-4596(80)90120-6
  34. Rakovics V. Chemical Bath Deposition of Nanocrystaline CdS and CdPbS Layers and Investigation of Their Photoconductivity // MRS Proceedings. 2005. V. 900E. № 3–30. P. 1–5. https://doi.org/10.1557/PROC-0900-O03-30
  35. Неустроев Л.Н., Осипов В.В. К теории физических свойств фоточувствительных поликристаллических пленок типа PbS. Модель, проводимость и эффект Холла // ФТП. 1986. Т. 20. № 1. Р. 59–65.

Дополнительные файлы


© А.Д. Селянина, Д.А. Дёмина, Л.Н. Маскаева, В.И. Воронин, И.О. Селянин, В.Ф. Марков, 2023