Perkenalan

Saat ini, jumlah bahan yang digunakan dalam teknologi elektronik untuk berbagai keperluan berjumlah beberapa ribu. Menurut klasifikasi paling umum, mereka dibagi menjadi empat kelas: konduktor, semikonduktor, dielektrik, dan bahan magnetik. Di antara bahan yang paling penting dan relatif baru adalah senyawa kimia semikonduktor, di antaranya senyawa tipe A II B VI memiliki kepentingan ilmiah dan praktis yang paling besar. Salah satu materi yang paling signifikan dalam kelompok ini adalah CdS.

CdS adalah andalan teknologi IR modern, karena spektrum fotosensitifitasnya mencakup jendela transparansi atmosfer (8-14 µm), di mana semua objek memancarkan cahaya. lingkungan. Hal ini memungkinkan untuk digunakan dalam urusan militer, ekologi, kedokteran dan industri lainnya. aktifitas manusia. Saat ini, CdS diproduksi dalam bentuk film hidro metode kimia.

Tujuan dari proyek kursus ini adalah untuk melaksanakan proyek produksi elemen sensitif fotoresistor berbasis CdS menggunakan metode hidrokimia dengan produktivitas 100 ribu unit/tahun, serta pengenalan metode perhitungan yang dimaksudkan untuk penentuan awal kondisi pembentukan CdS, hidroksida dan kadmium sianamida.

1. Karakteristik kadmium sulfida

Diagram sistem Cd - S belum dibangun, sistem berisi satu senyawa CdS, yang ada dalam dua modifikasi: α (heksagonal) dan β (kubik). CdS terjadi secara alami dalam bentuk mineral greenockite dan howleyite.

1.1 Struktur kristal

Senyawa tipe A II B VI biasanya mengkristal pada struktur sfalerit atau wurtzit. Struktur sfalerit berbentuk kubik, tipe B-3, grup ruang F4 3m (T d 2). Struktur wurtzite berbentuk heksagonal, tipe B-4, grup ruang P 6 3 mc (C 6 v 4). Struktur-struktur ini sangat mirip satu sama lain; mereka memiliki jumlah atom yang sama di bidang koordinasi pertama dan kedua - masing-masing 4 dan 12. Ikatan antar atom pada tetrahedra kedua modifikasi tersebut sangat erat.

Kadmium sulfida telah diperoleh dengan struktur sfalerit dan wurtzit.

1.2 Sifat termodinamika dan elektrofisika

Kadmium sulfida adalah fase satu sisi dengan komposisi bervariasi, selalu memiliki kadmium berlebih. Ketika dipanaskan hingga 1350 ᵒC, kadmium sulfida menyublim pada tekanan atmosfer tanpa meleleh; dalam ruang hampa pada 180 ᵒC ia tersuling tanpa meleleh dan tanpa dekomposisi; di bawah tekanan 100 atm ia meleleh pada suhu sekitar 1750 ᵒC. Derajat disosiasi kadmium pada suhu di atas 1000 ᵒC mencapai 85-98%. Kalor pembentukan CdS Δ H 298 0 = -34,71 kkal/mol.

Tergantung pada kondisi persiapan dan perlakuan panas, sifat CdS mungkin berbeda. Dengan demikian, kristal yang tumbuh dalam uap kadmium berlebih memiliki konduktivitas termal yang jauh lebih tinggi dibandingkan kristal yang tumbuh dalam kondisi komposisi stoikiometri. Resistivitas CdS tergantung pada berbagai faktor dapat bervariasi dalam batas yang luas (dari 10 12 hingga 10 -3 ohm*m).

Penyimpangan dari stoikiometri mempunyai pengaruh yang menentukan terhadap sifat listrik CdS. Masuknya oksigen ke dalam sampel menyebabkan penurunan konduktivitas listrik yang kuat. Celah pita CdS, ditentukan dari data optik, adalah 2,4 V. Kadmium sulfida biasanya memiliki konduktivitas tipe-n, yang disebabkan oleh kurangnya sulfur dibandingkan dengan komposisi stoikiometri.

Kelarutan kadmium dalam air tidak signifikan: 1,5 * 10 -10 mol/l.

2. Metode memperoleh kalkogenida logam

Saat ini, kalkogenida logam diproduksi baik secara fisik (penguapan dalam ruang hampa dan sputtering katoda) dan metode kimia (penyemprotan aerosol dari campuran reaksi ke substrat yang dipanaskan hingga 400-600 K atau pengendapan dari larutan berair). Mari kita lihat setiap metode secara lebih rinci.

Metode kondensasi vakum

Inti dari metode ini adalah memanaskan zat dalam ruang hampa (P ≥ 10 -3 mm Hg) hingga suhu ketika tekanan melebihi tekanan uap sisa beberapa kali lipat, diikuti dengan kondensasi ke substrat.

Langkah-langkah proses:

Penguapan suatu zat;

Penerbangan atom suatu zat ke substrat;

Deposisi (kondensasi) uap pada substrat dengan pembentukan struktur film selanjutnya.

Metode sputtering vakum katoda.

Metode ini didasarkan pada penghancuran katoda ketika dibombardir dengan molekul gas yang bekerja. Bahan yang akan diendapkan dalam bentuk film digunakan sebagai katoda. Pertama, udara dipompa keluar dari area kerja, kemudian gas kerja (argon atau nitrogen) dimasukkan ke dalam ruangan. Tegangan (3-5 kV) diterapkan antara katoda dan anoda, yang menyebabkan rusaknya celah gas. Pengoperasian instalasi didasarkan di dekat pelepasan plasma.

Jenis sputtering katoda:

Fisik: tidak ada reaksi kimia yang terjadi dalam sistem;

Reaktif: berasumsi reaksi kimia, gas reaktif (oksigen, nitrogen, karbon monoksida) ditambahkan ke gas kerja, dengan molekul yang zat yang disemprotkan membentuk senyawa kimia. Dengan mengubah tekanan parsial gas yang bekerja, komposisi film dapat diubah.

Perlu dicatat bahwa produksi vakum dari struktur film tipis memiliki kemampuan dan keserbagunaan yang luas. Ini memiliki sejumlah kelemahan signifikan - memerlukan peralatan yang rumit dan mahal, dan juga tidak menjamin keseragaman properti.

Metode yang paling menarik untuk memproduksi film sulfida dalam hal kesederhanaan dan efisiensinya adalah teknologi deposisi hidrokimia. Saat ini, ada tiga jenis utama metode ini: deposisi kimia dari larutan, deposisi elektrokimia, dan penyemprotan larutan ke substrat yang dipanaskan, diikuti dengan pirolisis.

Deposisi elektrokimia melibatkan pelarutan anodik logam dalam larutan tiourea berair. Proses pembentukan sulfida terjadi dalam dua tahap:

pembentukan ion logam di anoda;

interaksi ion logam dengan kalkogenizer.

Terlepas dari kelebihan metode ini: pengendalian dan ketergantungan yang jelas dari laju pertumbuhan film pada kekuatan arus, metode ini tidak cukup ekonomis; terbentuk film tipis dengan sifat tidak rata dan amorf, yang mencegah penggunaan metode ini secara luas dalam praktik.

Metode penyemprotan larutan ke substrat yang dipanaskan (pirolisis)

Larutan yang mengandung garam logam dan tiourea disemprotkan ke substrat yang dipanaskan hingga 180..250 ᵒC. Keuntungan utama dari metode pirolisis adalah kemungkinan memperoleh film dengan komposisi campuran. Perangkat kerasnya mencakup alat penyemprot untuk larutan dan pemanas untuk substrat. Untuk mendapatkan film dengan logam sulfida, rasio stoikiometri logam-sulfur adalah optimal.

Daya tarik khusus dan prospek yang luas, dalam hal hasil akhirnya, memiliki pengendapan kimia dari larutan berair. Metode pengendapan hidrokimia dicirikan oleh produktivitas dan efisiensi yang tinggi, kesederhanaan desain teknologi, dan kemungkinan penerapan film ke permukaan bentuk yang kompleks dan berbagai sifat, serta doping lapisan dengan ion atau molekul organik yang tidak memungkinkan pemanasan suhu tinggi, dan kemungkinan sintesis “kimia ringan”. Yang terakhir ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkannya metode ini, sebagai yang paling menjanjikan untuk pembuatan senyawa logam kalkogenida dengan struktur kompleks yang bersifat metastabil.

Deposisi hidrokimia dilakukan dalam rendaman reaksi yang mengandung garam logam, zat alkali dan pengompleks, dan kalkogenizer. Proses pembentukan sulfida diwujudkan melalui tahap kimia koloid dan mewakili serangkaian reaksi topokimia dan autokatalitik, yang mekanismenya belum sepenuhnya dipahami.

3. Penerapan film berdasarkanCDS

Kadmium sulfida film tipis banyak digunakan sebagai fotodetektor, bahan fotoluminesen, elemen termo, sel surya, bahan sensor, pelapis dekoratif, dan katalis berstrukturnano yang menjanjikan.

4. Uraian teknologi produksiCDS

Skema teknologi untuk pembuatan elemen sensitif fotoresistor mencakup operasi berikut:

1. persiapan media (pembersihan, pengetsaan, pencucian);

Deposisi kimia film semikonduktor;

Mencuci dan mengeringkan film;

Perlakuan panas lapisan semikonduktor di bawah lapisan muatan pada suhu 400ᵒC selama 2 jam;

Aplikasi vakum kontak Au;

Menulis;

Kontrol keluaran parameter chip FR.

.1 Persiapan substrat untuk pengendapan film

Deposisi film dilakukan pada substrat yang sebelumnya mengalami degreased. Substrat dihilangkan lemaknya secara menyeluruh dengan soda, dicuci dengan air keran dan, setelah dipasang di perangkat fluoroplastik, ditempatkan selama 20 detik dalam larutan Dash encer untuk mengetsa permukaan guna meningkatkan daya rekat film. Setelah perawatan dengan etsa Dash, media dibilas dengan air suling panas dalam jumlah besar dan disimpan dalam gelas di bawah lapisan air suling sebelum proses dimulai.

Kualitas persiapan permukaan substrat dikendalikan oleh tingkat keterbasahannya: air suling menyebar secara merata pada substrat yang disiapkan dengan hati-hati. Dilarang keras memegang media bebas lemak dengan tangan Anda.

4.2 Deposisi kimia film semikonduktor

Keramik kaca digunakan sebagai bahan substrat pengendapan film CdS.

Reagen kimia berikut digunakan untuk mensintesis film semikonduktor CdS:

kadmium klorida, CdCl 2 ∙H 2 O;

tiourea, CSN 2 H 4, kemurnian khusus;

larutan amonia berair, NH 3 aq, 25%, kadar kimia.

Prosedur pengurasan reagen untuk menyiapkan larutan yang berfungsi telah ditetapkan secara ketat. Perlunya hal ini karena proses pengendapan kalkogenida bersifat heterogen, dan lajunya bergantung pada kondisi awal pembentukan fasa baru.

Solusi kerja disiapkan dengan mencampurkan volume bahan awal yang dihitung. Sintesis film dilakukan dalam reaktor kaca molibdenum 100 ml. Pertama, volume garam kadmium yang dihitung ditambahkan ke dalam reaktor, kemudian amonia encer dimasukkan dan air suling ditambahkan. Selanjutnya, tiourea ditambahkan. Solusinya dicampur dan substrat yang disiapkan, dipasang dalam perangkat fluoroplastik, segera direndam di dalamnya. Substrat dipasang di reaktor dengan permukaan kerja menghadap ke bawah dengan sudut 15 - 20°. Mulai saat ini waktu proses sintesis mulai dihitung dengan menggunakan stopwatch. Reaktor ditutup rapat dan ditempatkan dalam termostat U-10. Keakuratan menjaga suhu sintesis adalah ±0,01°C. Untuk beberapa waktu, tidak ada perubahan yang terjadi pada solusinya. Kemudian larutan mulai menjadi keruh, dan lapisan cermin kuning terbentuk pada permukaan substrat dan dinding reaktor. Waktu deposisinya adalah 60 menit. Pengendapan dilakukan pada suhu 70 °C.

4.3 Pemrosesan film yang disimpan

Setelah waktu sintesis yang ditentukan berakhir, reaktor dikeluarkan dari termostat, substrat dengan penahannya dikeluarkan dan dicuci dengan air suling panas dalam jumlah besar (0,5-1,0 l). Setelah itu, substrat dikeluarkan dari dudukannya, permukaan kerja substrat (tempat film disimpan) diseka secara hati-hati dengan kapas yang direndam dalam air suling, dan sedimen dihilangkan dari sisi belakang. Kemudian substrat yang mempunyai film dicuci kembali dengan air suling dan dikeringkan di atas kertas saring sampai sisa-sisa kelembapan yang terlihat hilang.

4.4 Perlakuan panas

Setelah dicuci dan dikeringkan secara menyeluruh, media dikirim ke operasi berikutnya: perlakuan panas. Hal ini dilakukan di tungku peredam PM-1.0-7 atau PM-1.0-20 untuk menghilangkan tegangan dan meningkatkan sifat listrik film. Prosesnya berlangsung selama 2 jam pada suhu 400 °C, dilanjutkan dengan pendinginan hingga suhu kamar.

4.5 Aplikasi vakum pada kontak Au

Film logam digunakan dalam produksi perangkat semikonduktor dan sirkuit mikro sebagai kontak non-penyearah (ohmik), serta komponen pasif (jalur konduktif, resistor, kapasitor, induktor). Metode utama untuk memproduksi film logam adalah pengendapan vakum (penguapan termal dalam ruang hampa) dari berbagai logam (aluminium, emas, dll.), karena memiliki sejumlah keunggulan: kemurnian dan reproduktifitas proses pengendapan, produktivitas tinggi, kemungkinan pengendapan satu atau lebih logam ke wafer semikonduktor dalam satu operasi dan fusi film logam yang disemprotkan dan vakum untuk melindunginya dari oksidasi, kemudahan kontrol proses penyemprotan dan kemampuan untuk memperoleh film logam dengan berbagai ketebalan dan konfigurasi saat menyemprot logam menggunakan masker.

Penyemprotan juga dilakukan dalam instalasi vakum dengan tekanan sisa di bawah kap sekitar 6,5∙10 Pa (5∙10 -6 mm Hg). Tekanan ini dipilih agar tidak terjadi tumbukan antara atom logam yang menguap dan molekul gas sisa di bawah tudung instalasi, yang mengarah pada pembentukan lapisan film dengan struktur yang terganggu.

Dalam produksi perangkat semikonduktor, untuk pengendapan berbagai film pada wafer semikonduktor dan substrat lainnya, beberapa model instalasi pengendapan vakum digunakan, yang berbeda satu sama lain dalam berbagai solusi desain, terutama perangkat di bawah penutup, serta a sistem vakum, sistem catu daya untuk memantau parameter proses dan mengendalikan mode operasi, pengangkutan dan perangkat tambahan untuk penguapan atau penyemprotan.

Untuk deposisi termal film dan sputtering, masing-masing perangkat resistif dan berkas elektron digunakan dalam instalasi ini; untuk sputtering dengan bombardir ion, perangkat pelepasan digunakan. Meskipun ada beberapa kelemahan (kesulitan dalam menguapkan bahan tahan api, inersia yang tinggi, perubahan rasio komponen selama penguapan paduan), instalasi dengan berkas elektron dan terutama evaporator resistif cukup banyak digunakan dalam produksi semikonduktor karena kemudahan pengoperasiannya. Oleh karena itu, kami akan fokus pada instalasi dengan evaporator resistif, model dasarnya adalah instalasi UVN-2M.

4.6 Menulis

Keripik dengan ukuran tertentu dipotong dari substrat dengan film yang diendapkan di atasnya dengan cara digores (standar waktu 25 menit per substrat). Scriber semi-otomatis LCD 10.11 dirancang untuk menerapkan kisi-kisi tanda pada wafer semikonduktor. Pelat yang bertanda dipecahkan dengan cara digulung dengan roller karet secara manual atau menggunakan mesin khusus. Perangkat semi-otomatis dipasang pada pakaian antariksa yang dipasang di meja, yang berfungsi untuk menciptakan iklim mikro. Mereka bekerja secara semi-otomatis, mengenakan sarung tangan karet yang dipasang di dinding depan pakaian antariksa. Tempat kerja diterangi oleh lampu neon yang dipasang di bagian atas pakaian antariksa. Penandaan diterapkan menggunakan pemotong berlian yang dipasang pada penyangga ayun.

vakum elektrofisika kadmium sulfida

4.7 Kontrol keluaran parameter "chip".

Awalnya, chip menjalani inspeksi visual untuk kualitas lapisan. Ketidakhomogenan pada lapisan, bintik-bintik, ketidakteraturan, dan area dengan daya rekat yang buruk dicatat.

Pengendalian keluaran dilakukan dengan menggunakan instalasi K.50.410 (standar waktu 2 menit per “chip”).

5. Bagian perhitungan

.1 Perhitungan kondisi batas pembentukanCDS, CD(OH) 2 danCdCN 2

Perlu dicari kondisi batas pengendapan timbal sulfida, hidroksida, dan timbal sianamida pada konsentrasi awal berikut, mol/l:

0,4

Sintesis hidrokimia didasarkan pada reaksi:

CdL x 2+ + N 2 H 4 CS(Se) + 4OH - = CdS+ CN 2 2- + 4H 2 O

Dalam campuran reaksi, pembentukan senyawa kompleks berikut dimungkinkan (Tabel 1):

Tabel 1 Data awal penghitungan kondisi pengendapan hidrokimia CdS, Cd(OH) 2, CdCN 2

Senyawa (ion kompleks)

Mari kita hitung α Me z + , untuk ini kita menggunakan ekspresi:

dimana α Me z + adalah konsentrasi fraksi ion logam tak kompleks; L adalah konsentrasi ligan; k 1, k 1.2,…k 1.2… n - konstanta ketidakstabilan berbagai bentuk kompleks logam.

Untuk sistem amonia persamaannya adalah:
8,099∙10 -9

Mari kita gambarkan ketergantungan grafis pC n =f (pH) (Gbr. 2).

Beras. 2. Kondisi batas pembentukan kadmium sulfida, hidroksida dan sianamida.

Berdasarkan grafik tersebut dapat disimpulkan bahwa dalam sistem ini pembentukan film CdS dimungkinkan pada pH = 9,5-14, Cd(OH) 2 pada pH = 10,5-14, dan CdCN 2 tidak terbentuk sama sekali.

Penemuan ini dapat digunakan di kimia anorganik. Metode untuk memproduksi kristal kadmium sulfida melibatkan penempatan bakteri pereduksi sulfat dalam media sintetik yang mengandung logam dan menambahkan nutrisi, termasuk larutan vitamin, garam, kofaktor. Saat budidaya, bakteri pereduksi sulfat Desulfovibrio sp digunakan. A2, dan media sintetik yang mengandung sumber ion kadmium - larutan kadmium klorida. Konsentrasi ion kadmium dalam media sintetik adalah 150 mg/l. Aluminium foil ditempatkan pada wadah budidaya, dan budidaya dilakukan pada suhu 28°C selama 18 hari. Sedimen yang mengandung kristal kadmium sulfida yang dikumpulkan dari kertas timah dan dari dasar botol dikeringkan. Penemuan ini memungkinkan untuk memperoleh kadmium sulfida dari Air limbah dan limbah cair dari perusahaan metalurgi. 2 sakit., 3 meja, 1 eks.

Gambar untuk paten RF 2526456

Invensi ini berhubungan dengan metode untuk memproduksi kadmium sulfida (CdS) murni dari larutan yang mengandung logam menggunakan bakteri pereduksi sulfat (SRB).

Metode yang diusulkan dapat digunakan untuk memperoleh kadmium sulfida murni dari air limbah yang mengandung ion logam, termasuk kadmium, dan limbah cair dari perusahaan pertambangan dan pengolahan metalurgi. Saat menerapkan metode yang diusulkan, pengendapan selektif kadmium dalam bentuk sulfida dimungkinkan. Fitur ini memungkinkan penggunaan limbah cair dari perusahaan metalurgi dan air limbah sebagai sumber bahan baku sekunder untuk produksi kadmium sulfida. Kadmium sulfida digunakan dalam laser semikonduktor dan merupakan bahan untuk pembuatan fotosel, sel surya, fotodioda, LED, fosfor, pigmen untuk cat seni, kaca dan keramik. Pigmen kadmium sulfida dihargai karena stabilitas suhunya yang baik di banyak polimer, seperti plastik rekayasa. Dengan mengganti sebagian atom belerang dengan selenium dalam kristal CdS, berbagai macam warna pewarna dapat diperoleh dari hijau-kuning hingga merah-ungu. Kadmium sulfida adalah semikonduktor celah lebar. Properti CdS ini digunakan dalam optoelektronik, baik pada fotodetektor maupun sel surya. Scintillator untuk merekam terbuat dari kristal tunggal kadmium sulfida partikel elementer dan radiasi gamma.

Di alam, kadmium sulfida terdapat dalam bentuk mineral greenockite dan howliite, yang terdapat dalam bentuk endapan kuning pada sphalerite (ZnS) dan smithsonite. Karena mineral ini tidak tersebar luas di alam, kadmium sulfida diperoleh melalui sintesis untuk keperluan industri dan pekerjaan ilmiah dan teknis.

Kadmium sulfida diperoleh dengan metode kimia - memanaskan belerang dengan kadmium atau melewatkan hidrogen sulfida di atas kadmium, kadmium oksida atau klorida saat dipanaskan. Ada metode yang diketahui untuk memproduksi bubuk kadmium dan timbal sulfida (paten RF, No. 2203855, C01G 11/02, C01G 21/21, 2003). Invensi ini berhubungan dengan metode untuk memproduksi bahan bubuk dalam garam cair. Sintesis dilakukan dalam media cair. Media cair dibentuk oleh kristal tiourea, dan mencakup kadmium anhidrat atau timbal asetat sebagai komponen yang mengandung logam. Sintesis dilakukan dengan mencampurkan bubuk salah satu garam ini dan tiourea dengan kelebihan tiourea molar 2-4 kali lipat dan selanjutnya ditahan pada suhu 160-180°C selama 20-30 menit. Hasil praktis dari produk yang diperoleh dengan metode yang diusulkan lebih dari 95%. Selain itu, produk ini mengandung campuran unsur belerang (3-4 berat%), yang, tergantung pada penggunaan produk lebih lanjut, dapat dihilangkan dengan mencuci dengan pelarut organik (toluena, karbon tetraklorida, dll.). Kekurangan metode ini adalah konsumsi energi produksi, kebutuhan untuk menggunakan peralatan khusus dan mahal. Di samping itu, produksi kimia berdampak negatif terhadap lingkungan.

Pembentukan kristalit kadmium sulfida pada permukaan sel oleh bakteri Klebsiella pneumonia dan Clostridium thermoaceticum telah diketahui (Aiking H. dkk. Detoksifikasi merkuri, kadmium, dan timbal pada Klebsiella aerogenes NCTC 418 yang tumbuh dalam kultur berkelanjutan // Appi Environ Microbiol. 1985 Nov;50(5 - P.1262-1267; P.R. Smith dkk. KARAKTERISASI FOTOFISIKA DAN FOTOKIMIA PARTIKEL SEMIKONDUKTOR BAKTERI KADMIUM-SULFIDE // Journal of the Chemical Society. Transaksi Faraday. - 1998, 94(9). - hal .1235-1241 ).

Kristalit CdS yang disintesis pada permukaan bakteri K. pneumonia secara efektif menyerap sinar UV, yang melindungi bakteri dari efek berbahaya. Bakteri fluoresen laut dalam Pseudomonas aeruginosa menghilangkan kadmium dari lingkungan dengan membentuk kristalit CdS di dinding sel (Wang C.L. et al. Penghapusan kadmium oleh strain baru Pseudomonas aeruginosa dalam kultur aerobik // Appl. Environ. Microbiol. - 1997, 63.-hlm.4075-4078). Ukuran kristalit kadmium sulfida bervariasi dari puluhan mikron di luar sel hingga puluhan angstrom di dalam sel atau di permukaannya. Kristalit kadmium sulfida terbentuk hanya dalam kondisi tertentu agar organisme dapat mentoleransi kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan.

Intinya yang paling dekat dan hasil yang dicapai dengan penemuan yang diklaim adalah metode untuk menghilangkan ion kadmium konsentrasi rendah menggunakan bioreaktor dengan bakteri pereduksi sulfat (Hiroshi H. dkk. Penghilangan Ion Kadmium Konsentrasi Rendah Menggunakan Bioreaktor Pengurang Sulfat Tempat Tidur Tetap dengan FS Carrier // Jurnal Institut Pengolahan Pertambangan dan Material Jepang - 2003. - V.119, No.9. - pp.559-563). Pengurangan ion logam berat dari air terjadi di bioreaktor menggunakan bakteri pereduksi sulfat yang diimobilisasi pada terak berserat, yang digunakan sebagai biocarrier. Dalam proses ini, ion sulfat dalam cairan secara biologis diubah menjadi hidrogen sulfida (H 2 S), yang bereaksi dengan ion logam membentuk partikel logam sulfida ultrahalus. Kemudian partikel yang dihasilkan terkumpul pada permukaan pembawa di bagian atas reaktor, sehingga terjadi penumpukan ion logam berat dan sulfidanya. Ketika air yang terkontaminasi dengan 6 mg/l kadmium diolah secara terus menerus, penghilangan kadmium hampir sempurna dapat dicapai dalam jangka waktu sekitar 30 hari.

Kerugian metode yang diketahui adalah bahwa penggunaannya hanya mungkin pada konsentrasi ion kadmium yang rendah dalam medium dan kristal kadmium sulfida tidak terbentuk.

Tujuan dari penemuan ini adalah untuk mengembangkan metode untuk memproduksi kristal kadmium sulfida dari larutan dengan kandungan ion kadmium yang tinggi (hingga 150 mg/l), yang tidak mengandung pengotor logam sulfida lainnya, menggunakan bakteri pereduksi sulfat yang resisten. terhadap peningkatan konsentrasi ion kadmium.

Masalahnya diselesaikan dengan menempatkan BPRS, yang sangat tahan terhadap ion kadmium, dalam media sintetis yang mensimulasikan air limbah yang mengandung logam, dengan penambahan nutrisi, termasuk larutan vitamin, garam, kofaktor, laktat, natrium sulfida, dengan budidaya lebih lanjut dalam termostat dan pengeringan, namun berbeda dengan prototipe, digunakan SRB yang tahan terhadap ion kadmium, ditambahkan aluminium foil ke dalam media, dan budidaya dilakukan pada suhu 28°C selama 18 hari.

Budidaya dilakukan pada media sintetik (Tabel 1 - Komposisi media sintetik) dengan penambahan nutrisi yang merangsang pertumbuhan bakteri. Nutrisi dan kadmium divalen ditambahkan ke media sintetik sebelum menabur kultur bakteri. Komposisi zat hara dan urutan penambahannya ditunjukkan pada Tabel 2. Semua zat hara, kecuali vitamin, diautoklaf pada 1 atm selama 30 menit. Vitamin disterilkan dengan cara penyaringan menggunakan filter bakteri (0,20 mikron).

Penaburan dilakukan dalam wadah steril dengan sisipan foil, volume inokulum (kultur SRB) sebanyak 10% dari volume wadah. Wadah berisi inokulum diisi sampai bagian atas dengan media sintetik (dengan semua nutrisi tambahan). PH medium diatur menjadi 7,0-7,8 dengan larutan NaHCO 3. Botol ditutup dengan tutup aluminium, disegel dan ditempatkan dalam termostat pada suhu 28°C. Pembentukan kristal kadmium sulfida terjadi pada foil dan sebagian di bagian bawah botol. Setelah budidaya, endapan dikumpulkan dari kertas timah dan dari dasar botol dengan cara sentrifugasi dan dikeringkan di udara. Contoh penerapan penemuan ini dalam kondisi laboratorium diberikan di bawah ini.

Kultur murni SRB Desulfovibrio sp. A2 dikultur pada media sintetik yang mengandung kadmium divalen pada konsentrasi 150 mgCd/L dan aluminium foil. Kristal kadmium sulfida diperoleh pada kertas timah dan sebagian di bagian bawah botol 120 ml. Botol dengan aluminium foil disterilkan dengan panas kering dalam alat sterilisasi pada suhu 160°C selama 2,2 jam.

Penaburan dilakukan dalam laminar flow hood steril, yang sebelumnya didesinfeksi dengan sinar ultraviolet selama 30 menit. Sebelum disemai, media sintetik (Tabel 1) dididihkan dan kemudian didinginkan dengan cepat di bawah air dingin yang mengalir untuk menghilangkan oksigen terlarut. Nutrisi (tabel 2) (per 1 liter) ditambahkan ke media yang didinginkan hingga suhu kamar dengan urutan sebagai berikut: vitamin (2 ml), larutan garam (10 ml), larutan kofaktor (1 ml), substrat organik - laktat (1 ,6 ml), larutan NaHCO 3 (pH disesuaikan menjadi 7,0-7,8), larutan natrium sulfida (2 ml). Larutan stok kadmium (CdCl 2 × 2,5H 2 O 2 g per 100 ml air) ditambahkan dalam jumlah 16,72 ml per 1 liter media sintetik (dengan demikian, konsentrasi kadmium dalam media 150 mg/l adalah tercapai).

Sekitar 50 ml media sintetik dengan aditif ditambahkan ke dalamnya dan 10 ml inokulum (kultur bakteri) ditambahkan ke dalam botol dengan foil, setelah itu media ditambahkan ke atas. Sumbat karet ditancapkan ke tepi botol menggunakan jarum steril, yang mengurangi kemungkinan penetrasi oksigen di udara. Pada akhir penaburan, botol ditutup dengan tutup aluminium, botol ditutup dengan mesin jahitan dan termostat ditempatkan pada suhu 28°C. Kristalisasi kadmium sulfida dimulai setelah 10 hari budidaya; dengan budidaya selama 18 hari, kadmium sulfida mengkristal sepenuhnya. Endapan yang terbentuk dikumpulkan dari kertas timah dan dari dasar botol dengan cara sentrifugasi dan dikeringkan di udara. Massa sedimen yang terbentuk adalah 0,38 g.

Sedimen yang terbentuk dipelajari menggunakan pemindaian mikroskop elektron (Philips SEM515 dengan alat analisa EDAX ECON IV). Fase kristal ditentukan dengan analisis fase sinar-X menggunakan difraktometer Shimadzu XRD 6000.

Ukuran kristal ditentukan dengan pemindaian mikroskop elektron, berukuran 50-300 µm, Gambar 1 - mikrograf (SEM) sedimen yang diperoleh selama budidaya Desulfovibrio sp. A2 dengan adanya ion Cd (150 mg/l) selama 18 hari, dan ggl yang sesuai. Endapan diperoleh dengan budidaya strain Desulfovibrio sp. A2, mengandung kadmium, belerang, besi, oksigen, karbon dan natrium, dengan karbon dan oksigen berasal dari substrat karbon tempat sampel berada. Rasio unsur disajikan pada Tabel 3 - komposisi unsur sedimen yang diperoleh selama budidaya Desulfovibrio sp. A2 dengan adanya ion Cd (150 mg/l) selama 18 hari (unsur C dan O berasal dari substrat tempat sampel diletakkan).

Saat mempelajari sedimen menggunakan analisis fase sinar-X, pembentukan kristal kadmium sulfida ditunjukkan dalam waktu 18 hari (Gambar 2 - pola difraksi sedimen yang diperoleh dengan budidaya Desulfovibrio sp. A2 dengan adanya konsentrasi awal Cd (150 mg/l ) selama 18 hari Sebutan pada pola difraksi : CdS - kadmium sulfida).

Pada sedimen kontrol yang diperoleh selama inkubasi tanpa penambahan inokulum, tidak ada fase kristal yang diamati dan unsur utamanya adalah kadmium dan oksigen. Metode yang kami usulkan mencakup kemungkinan penggunaan air limbah dan limbah cair dari perusahaan pertambangan dan pengolahan metalurgi sebagai media sintetik untuk produksi kadmium sulfida.

Tabel 1
Reagen	Konsentrasi, mg/l
Na2SO4	4000

MgCl 2 6H 2 O	400

NaCl (25%)	0,0125*
FeSO 4 *7H 2 O	2,1
N 3 VO 3	0,03
MnCl 2 *4H 2 O	0,1
CoCl 2 *6H 2 O	0,19
NiCl 2 *6H 2 O	0,024
CuCl 2 *2H 2 O	0,002
ZnSO 4 *7H 2 O	0,144
Na 2 MoO 4 *2H 2 O	0,036
CuSO 4 *7H 2 O	750
H2O	1 liter
* -ml/l

Meja 2
Larutan (jumlah yang diterapkan per 1 liter media sintetis)
	Reagen	Konsentrasi

	asam 4-aminobenzoat	4mg/l
	Biotin (vitamin H)	1mg/l
	Asam nikotinat (vitamin B5)	10mg/l
1. Vitamin (2 ml/l)	Kalsium pantotenat (vitamin B3)	5mg/l
	Piridoksin dihidroklorida (vitamin B6)	15mg/l
	Sianocobalamin (vitamin B12)	5mg/l
	Tiamin (vitamin B1)	10mg/l
	Riboflavin (vitamin B2)	0,5mg/l
	Asam folat	0,2mg/l
	KH 2 PO 4	20 gram/l
	NH4Cl	25 gram/l
2. Larutan garam (10 ml/l)	NaCl	100 gram/l
2. Larutan garam (10 ml/l)	KCl	50 gram/l
	CaCl2	11,3 gram/l
	H2O	1 liter
3. Solusi kofaktor (1ml/l)	NaOH	4 gram/l
	Na 2 SeO 3 × 5H 2 O	6mg/l
	Na 2 WO 4 × 2H 2 O	8mg/l
4. Larutan laktat (1,6 ml/l)
	Laktat	40%

5. Larutan Na 2 S (2 ml/l)
	Na 2 S×9H 2 O	4,8 gram

Tabel 3
Elemen	Fraksi berat (Wt%)	Fraksi atom (Pada%)
DENGAN	7,56	15,1
HAI	2,75	4,1
Tidak	0,41	0,4
S	23,3	44,5
CD	64,7	35,4
Fe	1,28	0,5

MENGEKLAIM

Suatu metode untuk memproduksi kristal kadmium sulfida dengan menempatkan bakteri pereduksi sulfat dalam media sintetik yang mengandung logam dengan penambahan nutrisi, termasuk larutan vitamin, garam, kofaktor, yang ditandai dengan bakteri pereduksi sulfat Desulfovibrio sp. yang digunakan selama budidaya. A2, menggunakan media sintetik yang mengandung sumber ion kadmium – larutan kadmium klorida, dan konsentrasi ion kadmium dalam media sintetik adalah 150 mg/l, sedangkan alumunium foil ditempatkan pada wadah budidaya, budidaya dilakukan pada suhu 28°C selama 18 hari, dan sedimen yang mengandung kristal kadmium sulfida yang dikumpulkan dari kertas timah dan dari dasar botol dikeringkan.

Kadmium sulfida adalah salah satu bahan semikonduktor film tipis yang paling banyak dipelajari. Pengendapan lapisan yang kualitasnya sesuai untuk pembuatan sel surya dilakukan dengan menggunakan berbagai metode. Ini termasuk: penguapan vakum, atomisasi diikuti oleh pirolisis, sputtering ion, berkas molekul dan epitaksi gas, deposisi transpor gas volume kuasi-terbatas, deposisi uap kimia, sablon, deposisi larutan, anodisasi dan elektroforesis.

3.2.7.1 Sifat struktural

Film yang diperoleh melalui penguapan vakum dan dimaksudkan untuk pembuatan sel surya biasanya memiliki ketebalan 15...30 μm, dan pengendapannya dilakukan dengan kecepatan 0,5...3 μm/menit pada suhu substrat 200. ..250 °C dan suhu evaporator 900...1050 °C. Dalam kondisi ini, film mengkristal dalam struktur wurtzite dan diorientasikan sedemikian rupa sehingga bidang (002) sejajar dan sumbu c tegak lurus terhadap permukaan substrat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4.2, film memiliki struktur kolom, dengan masing-masing kolom mewakili butiran terpisah. Ukuran butiran dalam film tersebut biasanya bervariasi dari 1 hingga 5 μm, meskipun butiran yang lebih besar hingga ukuran 10 μm telah dilaporkan. Perlu dicatat bahwa lapisan tipis terdiri dari butiran-butiran kecil yang salah arah. Struktur kristal dan struktur mikro film sangat dipengaruhi oleh suhu substrat selama proses pengendapan.

Vankar dkk dan Das, mempelajari ketergantungan sifat struktural film yang diperoleh dengan penguapan vakum pada suhu substrat, menemukan bahwa struktur dan parameter kristalografi kisi kristal film sangat ditentukan oleh suhu pengendapannya. Film yang diperoleh pada suhu substrat dalam kisaran suhu kamar hingga 150 °C memiliki struktur sfalerit, sedangkan pada suhu substrat 170 °C ke atas, film mengkristal dalam struktur wurtzit. Pada kisaran suhu 150 hingga 170 °C, film memiliki struktur dua fase yang terdiri dari campuran sfalerit dan wurtzit. Pada suhu pengendapan sama dengan atau melebihi 200 °C, film dengan orientasi butir preferensi akan terbentuk. Peningkatan suhu pengendapan film menyebabkan peningkatan ukuran butir. Dimensi ketidakteraturan permukaan film pertama-tama meningkat dengan meningkatnya suhu substrat, dan kemudian menurun pada suhu di atas 150 °C, mungkin karena penguapan berulang kali. Kerang ditemukan dalam film yang diendapkan pada suhu di atas 200 °C.

Untuk mendapatkan butiran dengan ukuran mencapai 100...800 mikron, Fraaz et al.mengkristal ulang film yang diperoleh dengan penguapan vakum dengan perlakuan panas dalam aliran.Dalam hal ini, orientasi sumbu c kisi kristal berubah dan penghancuran butiran struktur mikro kolumnar film diamati. Menurut hasil Amit, dengan bertambahnya ketebalan film, terjadi pembesaran butir, peningkatan derajat orientasi preferensinya, serta derajat orientasi sumbu c ke arah evaporator; Selain itu, ukuran ketidakteraturan permukaan juga meningkat. Hall mencatat bahwa dalam film segera setelah pengendapan, sumbu c butiran biasanya menyimpang dari garis normal ke permukaan substrat dengan sudut rata-rata 19°. Kurva distribusi sudut deviasi sumbu c relatif terhadap nilai rata-rata mempunyai bentuk yang halus, dan setengah lebar distribusi pada tingkat yang sesuai dengan setengah maksimum adalah 10...12°. Sebagai hasil dari perlakuan panas selanjutnya pada film pada suhu 190 °C dan tekanan tinggi, setengah lebar distribusi yang ditunjukkan pada tingkat setengah maksimum berkurang menjadi 3°.

Berdasarkan hasil studi mikroskop elektron, Tseng menyimpulkan bahwa lapisan atas film berstruktur wurtzit mengandung butiran dengan batas miring dan sudut misorientasinya bervariasi antara 9 hingga 40°. Bagian utama dari batas butir sejajar satu sama lain. Dare dan Parik mencatat tingkat keteraturan struktur, kesempurnaan kisi kristal dan kualitas

Bentuk kristalit meningkat ketika vakum yang lebih dalam tercipta selama pengendapan film.Romeo dkk mempelajari pengaruh rasio konsentrasi atom pada sifat-sifat film yang diendapkan menggunakan dua evaporator. Para penulis menunjukkan film itu Kualitas tinggi dapat diperoleh pada rentang rasio konsentrasi yang luas; namun, rasio 1,5 memberikan hasil terbaik. Selain itu, film yang konsentrasi dopannya (dalam hal ini indium) mencapai batas kelarutan memiliki struktur kristal yang lebih sempurna.

Parameter terpenting yang mempengaruhi karakteristik kristalografi dan struktur mikro film yang diperoleh dengan penyemprotan diikuti pirolisis adalah suhu substrat selama proses pengendapan. Namun, ukuran butiran dan derajat orientasinya (jika strukturnya tumbuh teratur) juga bergantung pada sejumlah faktor lain, termasuk komposisi garam yang terkandung dalam larutan yang disemprotkan, rasio konsentrasi kation dan anion. , serta jenis dopan.

Beras. Gambar 3.14 menggambarkan pengaruh rasio konsentrasi suhu substrat, ketebalan film, dopan, keberadaan lapisan lain pada substrat dan annealing yang dilakukan setelah pengendapan terhadap derajat orientasi film. Perlu dicatat bahwa hasil ini tidak bersifat umum dalam alam dan bahwa berbagai penulis dalam kondisi pengendapan yang sama telah memperoleh film dengan arah orientasi berbeda. Film diendapkan menggunakan larutan garam asam asetat, terdiri dari butiran yang sangat kecil. Saat menggunakan larutan klorida, butiran yang lebih besar terbentuk dengan orientasi sumbu c tertentu. Biasanya, dalam film yang diperoleh dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis, ukuran butirnya adalah; namun, menurut laporan beberapa penulis, hal ini dapat mencapai Kehadiran pengotor seperti berkontribusi terhadap pembesaran butir; pengotor yang tidak larut, seperti , yang terdapat dalam konsentrasi signifikan apa pun, mencegah rekristalisasi film dan juga menyebabkan penurunan tajam dalam ukuran butir dan pelanggaran orientasi preferensinya.

Karena pengendapan pada batas butir, permukaan film memperoleh struktur labirin. Relief permukaan film kadmium sulfida yang tidak diolah dan dengan pengotor ditunjukkan pada Gambar. dan Bube mencatat bahwa film disimpan dengan penyemprotan yang diikuti oleh

(klik untuk melihat pemindaian)

pirolisis ke substrat yang memiliki suhu rendah dan tinggi, masing-masing mengkristal dalam struktur sfalerit dan wurtzit. Namun menurut Banerjee et al., tipe emerging struktur kristal tidak tergantung pada suhu deposisi film. Ciri khas film yang diperoleh dengan metode ini adalah daya rekatnya yang tinggi pada substrat dan adanya kontinuitas bahkan pada ketebalan yang kecil.

Untuk film yang diendapkan menggunakan sputtering ion, lebih banyak lagi tingkat tinggi orientasi sumbu c dibandingkan dengan film yang diperoleh dengan penguapan vakum. Selain itu, dengan ketebalan yang sama, film yang dibuat dengan sputtering ion mengandung lebih sedikit pori-pori tembus. Film-film ini biasanya terdiri dari butiran yang lebih kecil; namun, mereka memiliki struktur kolom. Film yang terbentuk selama sputtering ion selalu mengkristal dalam struktur heksagonal dengan orientasi sumbu c yang dominan relatif terhadap normal terhadap permukaan substrat. Peel dan Murray mencatat bahwa dengan metode pengendapan film ini, mereka mengandung partikel gas terionisasi yang ditangkap selama proses pertumbuhan, di mana pelepasan tereksitasi. Mitchell et al., menggunakan deposisi transpor gas dalam volume kuasi-tertutup, memperoleh film dengan ketebalan 1...3 μm dengan ukuran butir dalam kisaran yang sama dan tidak menemukan hubungan antara ukuran butir dan suhu substrat dalam kisaran tersebut Menurut hasil Yoshikawa dan Sakai, suhu substrat berpengaruh terhadap morfologi permukaan film yang diendapkan dengan metode ini, dan untuk mendapatkan permukaan yang halus substrat harus dipanaskan hingga suhu tinggi. Namun, pada suhu yang sangat tinggi, pertumbuhan kristal kumis diamati. Selama pengendapan transpor gas pada film dalam volume kuasi-tertutup, sumbu c kisi kristalnya diarahkan hampir tegak lurus terhadap bidang substrat.

Film epitaksi diperoleh pada substrat spinel.Film yang ditumbuhkan dengan epitaksi berkas molekul pada permukaan spinel memiliki struktur wurtzite, dan bila menggunakan substrat dari struktur sphalerite. Metode epitaksi gas digunakan untuk mengendapkan lapisan kristal tunggal berbentuk heksagonal

modifikasi pada permukaan kristal (111), (110) dan (100), jenis pertumbuhan heteroepitaksial berikut dicatat:

Film yang diendapkan dari larutan terdiri dari butiran-butiran kecil yang ukurannya tidak lebih besar.Ketika laju pertumbuhan film menurun dan suhu penangas meningkat, butiran-butiran yang lebih besar akan terbentuk. Struktur film yang ditumbuhkan dengan cara ini dapat berubah tergantung pada kondisi pengendapan. Film yang diperoleh dari larutan yang mengandung senyawa kompleks, bila parameter proses pengendapannya berubah, mengkristal menjadi sfalerit, wurtzit atau struktur campuran, sedangkan penggunaan larutan yang mengandung senyawa kompleks selalu mengarah pada terbentuknya film yang mempunyai struktur wurtzit dengan sumbu c tegak lurus terhadap substrat.

3.2.7.2 Sifat kelistrikan

Perubahan kondisi pengendapan secara dramatis mengubah sifat listrik film tipis. Film yang dihasilkan melalui penguapan vakum dan digunakan dalam sel surya biasanya memiliki resistivitas Ohm cm dan konsentrasi pembawa . Film selalu memiliki konduktivitas tipe-, yang disebabkan oleh penyimpangan komposisinya dari stoikiometri karena adanya kekosongan belerang dan jumlah kadmium yang berlebihan. Mobilitas pembawa adalah. Berdasarkan hasil pengukuran, panjang difusi pembawa minoritas dalam film yang diendapkan melalui penguapan vakum bervariasi dari 0,1 hingga 0,3 μm. Konsentrasi pembawa meningkat seiring dengan meningkatnya laju pertumbuhan film dan peningkatan ketebalan film 1113]; dalam hal ini, penurunan resistivitas yang sesuai diamati.

Sifat listrik film sangat bergantung pada rasio konsentrasi atom selama proses penguapan, serta keberadaan dopan. Film yang diolah selama pengendapan dengan rasio konsentrasi 1,5 dibedakan berdasarkan sifat listrik dan tertinggi karakteristik struktural. Nilai resistivitas rendah mencapai Ohm cm dengan mobilitas pembawa diperoleh untuk film dengan konsentrasi indium sama dengan Gambar. Gambar 3.15 menunjukkan ketergantungan resistivitas dan mobilitas pembawa pada rasio konsentrasi

Beras. 3.15. Ketergantungan resistivitas dan mobilitas pembawa dalam film yang diperoleh melalui penguapan vakum dan diolah dengan indium pada rasio konsentrasi atom dalam konsentrasi konsentrasi aliran uap

untuk dua film dengan konsentrasi berbeda yang diendapkan melalui penguapan vakum. Wang melaporkan hal itu dengan peningkatan fraksi massa kira-kira sampai konsentrasi pembawa meningkat hampir tiga kali lipat, dan mobilitas mereka juga meningkat secara signifikan. Dengan kandungan dopan yang lebih tinggi, konsentrasi pembawa tidak meningkat, dan mobilitasnya sedikit menurun. Namun, pada tingkat doping indium yang rendah, film dicirikan oleh nilai konsentrasi pembawa dan mobilitas yang rendah. Selama pengendapan film yang diolah (dengan kandungan indium -2%), konsentrasi pembawa dan mobilitasnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.16, sangat sedikit bergantung pada suhu substrat pada rentang suhu yang luas. Doping film dengan tembaga menyebabkan efek sebaliknya - penurunan konsentrasi pembawa dan peningkatan resistivitas beberapa kali lipat. Selain itu, mobilitas elektron menurun.

Beberapa penulis telah mempelajari mekanisme transpor pembawa muatan dalam film yang dihasilkan melalui penguapan vakum. Dappy dan Kassing mengasosiasikan kekhasan sifat listrik film dengan pengaruh dominan tingkat dalam dari jenis yang sama, yang kemunculannya disebabkan oleh kekosongan belerang. Karakteristik energi pada tingkat ini ditentukan oleh jumlah kekosongan belerang, dan jika konsentrasinya rendah, maka tingkat lokal

Beras. 3.16. Ketergantungan konsentrasi pembawa dan mobilitas pada suhu substrat untuk film yang tidak didoping dan didoping indium yang diperoleh melalui evaporasi diskrit.

dihilangkan dari tepi pita konduksi kira-kira. Telah dilaporkan bahwa pada konsentrasi kekosongan yang tinggi, pita pengotor akan terbentuk. Dare dan Wig ditemukan tingkat energi dengan energi aktivasi dan Bube mencatat bahwa dalam film yang diperoleh melalui penguapan dan mengandung tingkat donor yang dangkal, tanpa adanya penerangan, konsentrasi elektron dalam kisaran suhu dari 200 hingga 330 K sebenarnya tidak bergantung pada suhu. Energi aktivasi, ditentukan dari ketergantungan suhu konsentrasi elektron, bervariasi dari hingga Sesuai dengan ketergantungan suhu mobilitas pembawa, faktor pra-eksponensialnya sama dengan nilai energi aktivasi berkisar antara 0,11 hingga 0,19 eV. Dalam film yang diendapkan dengan metode ini, proses transfer pembawa muatan sangat dipengaruhi oleh sifat struktural dan karakteristik listrik batas butir. Film segera setelah penguapan tidak sensitif terhadap cahaya. Namun, setelah memasukkan atom tembaga ke dalam film (melalui difusi), fotokonduktivitas yang signifikan diamati, dan dalam kondisi tertentu level tinggi fotoeksitasi, konsentrasi elektron menjadi lebih rendah dan mobilitasnya lebih tinggi dibandingkan pada film yang tidak mengandung tembaga.

Sifat listrik film yang diperoleh dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis ditentukan terutama oleh kekhasan proses kemisorpsi oksigen pada batas butir, disertai dengan penurunan keduanya.

konsentrasi dan mobilitas pembawa. Karena adanya kekosongan belerang, film semacam itu selalu memiliki konduktivitas tipe-, dan resistivitasnya dapat bervariasi dalam rentang yang sangat luas, berbeda hingga delapan kali lipat. Anil film selanjutnya di udara menyebabkan peningkatan resistivitasnya hingga mendekati dan munculnya fotokonduktivitas yang kuat. Menurut pengukuran yang dilakukan di laboratorium penulis, kira-kira 1 ms setelah menyalakan sumber cahaya dengan intensitas, konduktivitas film meningkat satu faktor. Sebagai hasil dari anil vakum film, resistivitasnya menurun menjadi , dan fotokonduktivitas juga padam, yang menunjukkan reversibilitas proses kemisorpsi dan desorpsi oksigen. Ketergantungan resistivitas film pada suhu anil diilustrasikan pada Gambar. 3.17, sebuah.

Sebuah studi eksperimental rinci tentang parameter proses transfer elektron dalam film telah dilakukan oleh beberapa penulis. Ma dan Bueb menemukan sifat osilasi dari perubahan konduktivitas listrik, konsentrasi pembawa dan mobilitasnya bergantung pada suhu pengendapan film. Laju pendinginan film (pada akhir pertumbuhannya) mempengaruhi kinetika kemisorpsi dan oleh karena itu juga mempengaruhi proses transfer elektron. Kwok dan Sue, yang mempelajari film yang dihasilkan dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis, mencatat bahwa dengan bertambahnya ketebalan, disertai dengan pembesaran butiran, konsentrasi gelap dan mobilitas pembawa meningkat. Pada Gambar. Gambar 3.17b menunjukkan ketergantungan konsentrasi dan mobilitas pembawa pada ketebalan film dengan ada dan tidak adanya penerangan. Pengukuran efek Hall dan termo-ggl. Dengan. dalam sampel yang diterangi menunjukkan bahwa di bawah pengaruh cahaya, terjadi perubahan konsentrasi atau mobilitas pembawa, dan mungkin kedua parameter secara bersamaan. Manakah dari mereka yang berubah lebih besar tergantung pada pengaruh relatif dari sifat-sifat struktur mikro (ukuran butir) dan perlakuan panas dari film yang diendapkan (keberadaan oksigen yang diserap secara kimia) pada proses aliran saat ini. Menurut pengukuran, panjang difusi lubang pada film yang diperoleh dengan penyemprotan diikuti pirolisis adalah 0,2...0,4 µm.

Film segera setelah pengendapan dengan ion sputtering memiliki resistivitas tinggi, yaitu mencapai 108 Ohm-cm. Co-sputtering menghasilkan film dengan resistivitas 1 Ohm-cm dan mobilitas pembawa kira-kira sama

Beras. 3.17. Ketergantungan suhu resistivitas gelap film yang diendapkan dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis, selama anil dalam ruang hampa dan dalam atmosfer berbagai gas (a). Titik A menentukan resistivitas film segera setelah pengendapan, kurva perubahan resistivitas film selama anil dalam ruang hampa, kurva resistivitas film yang dianil dalam ruang hampa atau atmosfer gas inert, diukur pada suhu yang berbeda, titik resistivitas film yang dianil dalam ruang hampa diukur pada suhu kamar.

Ketergantungan mobilitas dan konsentrasi pembawa pada ketebalan film diperoleh dengan penyemprotan diikuti pirolisis dalam kondisi terang dan gelap.

Lichtensteiger memperoleh film yang didoping tipe dengan mobilitas lubang. Konsentrasi pembawa dalam film yang didoping dengan indium (kandungan atom menurut pengukuran adalah sekitar . Telah ditetapkan bahwa, berbeda dengan film yang tidak didoping yang diendapkan dengan sputtering ion, resistivitas film yang mengandung dopan lemah. tergantung pada suhu substrat dalam proses pengendapannya. Dalam hal sifat listrik film yang diperoleh dengan sputtering ion, mirip dengan film yang dibuat melalui penguapan. Peel dan Murray menggunakan efek Poole-Frenkel untuk menafsirkan hasil pengukuran konduktivitas dalam medan listrik yang kuat Menurut data Hill, dalam film yang diendapkan

menggunakan sputtering ion dan pembawa mobilitas tinggi, panjang difusi elektron adalah

Film yang diperoleh melalui pengendapan kimia dari larutan mempunyai konduktivitas tipe-, dan resistivitasnya, yaitu, setelah anil dalam ruang hampa, berkurang menjadi . Penurunan resistivitas ini, yang juga merupakan karakteristik film yang dibuat dengan penyemprotan, berhubungan dengan desorpsi oksigen. Pemanasan selanjutnya dari film di udara atau di atmosfer oksigen dapat menyebabkan pemulihan nilai resistivitas aslinya. Menurut data eksperimen Pawaskar dkk., dalam sampel yang diterangi, konsentrasi pembawa kira-kira sama dan mobilitasnya kira-kira sama. Sebagai hasil anil di udara, film yang diendapkan dari larutan memperoleh fotosensitifitas yang tinggi. Film yang dihasilkan dengan sablon juga memiliki fotosensitifitas yang tinggi, dan rasio resistivitas dengan tidak adanya dan adanya penerangan (pada intensitas radiasi bagi mereka. Film yang diendapkan dengan elektroforesis memiliki resistivitas dalam .

Film epitaksi dicirikan oleh mobilitas pembawa yang sangat tinggi. Sifat kelistrikan film yang diendapkan secara epitaksi pada substrat GaAs selama reaksi transpor kimia dalam volume kuasi-tertutup sangat bergantung pada kondisi pertumbuhannya, dan yang paling signifikan pada suhu substrat. Ketika suhu substrat meningkat, konsentrasi pembawa meningkat secara eksponensial. Ini juga meningkatkan mobilitas elektron. Nilai mobilitas maksimum yang diperoleh adalah Ketika suhu substrat bervariasi, resistivitas film dapat bervariasi dari hingga . Film epitaksi tak terdoping yang diendapkan oleh epitaksi berkas molekul memiliki resistivitas yang menurun secara eksponensial dengan meningkatnya suhu dan dicirikan oleh energi aktivasi 1,6 eV. Dalam film yang diolah dengan indium, konsentrasi pembawa dan mobilitas Hallnya adalah - Film epitaksi yang diperoleh secara kimia dari fase uap, segera setelah pengendapan, memiliki resistivitas. Annealing film di atmosfer atau pada suhu 400 °C menyebabkan penurunan resistivitas terhadap nilai. Mobilitas pembawa dalam film dengan resistivitas tinggi adalah

Beras. 3.18. Ketergantungan spektral indeks bias dan penyerapan film diperoleh dengan penguapan vakum pada tiga suhu substrat yang berbeda. 1 - suhu kamar;

3.2.7.3 Sifat optik

Sifat optik film sangat bergantung pada struktur mikronya dan, akibatnya, pada kondisi pengendapan. Selama penguapan, film reflektif spekular halus terbentuk, tetapi seiring bertambahnya ketebalannya, relief permukaan menjadi lebih kasar dan pantulan radiasi dari film tebal sebagian besar bersifat menyebar. Kvaya dan Tomlin mengukur reflektansi dan transmitansi film yang diendapkan melalui penguapan dan menentukan konstanta optiknya dalam rentang panjang gelombang 0,25...2,0 µm, dengan mempertimbangkan pengaruh hamburan radiasi di permukaan.

Analisis hasil yang diperoleh (lihat Gambar 3.18) menunjukkan bahwa penyerapan cahaya dengan energi 2,42...2,82 eV disertai dengan transisi optik langsung, dan pada energi melebihi 2,82 eV, transisi langsung dan tidak langsung dimungkinkan. Nilainya bergantung pada suhu substrat selama pengendapan film. Pada suhu substrat yang tinggi, yang menjamin pertumbuhan butiran besar, indeks bias film mendekati nilai karakteristik bahan kristal tunggal. Film yang dibuat menggunakan sputtering ion memiliki wilayah perubahan transmitansi yang tajam pada panjang gelombang sekitar 0,52 μm, sesuai dengan celah pita. Di wilayah spektrum panjang gelombang panjang, film memiliki transparansi yang tinggi. Dalam film yang diproduksi dengan penyemprotan diikuti pirolisis, celah pita dan posisi spektral tepi pita serapan utama tidak bergantung pada struktur mikro. Proporsi cahaya yang dipantulkan secara difus dan transparansi film

Beras. 3.19. Ketergantungan spektral dari transmisi film yang diendapkan dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis dalam berbagai kondisi - suhu substrat; ketebalan film; rasio konsentrasi atom

ditentukan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.19, ketebalannya, suhu substrat dan rasio konsentrasinya.Seiring dengan peningkatan ketebalan film, pantulan radiasi difus mendominasi, namun melemah pada film yang ditumbuhkan pada suhu tinggi (karena peningkatan ukuran butir dan derajat orientasinya). Pada suhu pengendapan yang sangat tinggi (lebih mungkin terjadi), terjadi perubahan signifikan pada kinetika pertumbuhan film, akibatnya permukaannya menjadi kasar dan menyebarkan radiasi.

Berg dkk mencatat bahwa ciri-ciri struktur butiran dan morfologi film (ketebalan 3...4 m), diendapkan dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis, menyebabkan hamburan cahaya yang kuat dan nilai koefisien serapan efektif yang besar pada panjang gelombang di energi yang lebih kecil dari celah pita. Untuk film yang diendapkan dari larutan, tepi serapan optik terletak pada daerah panjang gelombang yang sama dengan kristal kadmium sulfida masif. Namun, karena hamburan cahaya yang menyebar oleh film dengan struktur berbutir halus, ketergantungan spektral dari koefisien serapan di wilayah ini memiliki bentuk yang jauh lebih datar dan halus.

3.2.7.4 Film paduan...

Sifat struktural, listrik dan optik film paduan sangat dipengaruhi oleh komposisinya. Film paduan diproduksi dengan penguapan vakum, penyemprotan diikuti dengan pirolisis, dan sputtering ion. Sebagai aturan, pada seluruh rentang konsentrasi relatifnya, mereka membentuk larutan padat, dan apa pun metode pengendapannya, pada konsentrasi yang berkisar hingga film paduan, mereka mengkristal dalam struktur wurtzite. Jika konsentrasinya melebihi 80%, maka film tersebut memiliki struktur sfalerit kubik. Ketika terkonsentrasi, film mengkristal dalam kedua modifikasi struktural ini. Dalam kasus pengendapan film melalui penguapan vakum pada konsentrasi di bawah, kisi kristal wurtzit terbentuk dengan sumbu c tegak lurus terhadap bidang substrat.

Vankar dkk menemukan bahwa jenis struktur kristal dan parameter kisi film yang diperoleh melalui penguapan sangat ditentukan oleh suhu pengendapannya. Parameter kisi a berubah secara halus dengan variasi komposisi film (lihat Gambar 3.20, a). Kane dkk melaporkan bahwa pada komposisi ini, dimana film merupakan campuran fase wurtzit dan kubik, jarak antara bidang kristalografi (002) dari struktur heksagonal dan (111) dari struktur kubik adalah sama. Oleh karena itu, untuk setiap komposisi paduan, struktur kubik dapat dicirikan oleh parameter ekuivalen a dan c sel heksagonal, yang ditentukan dengan perhitungan. Adanya hubungan antara parameter kisi kristal film paduan dan suhu pengendapan dijelaskan secara kualitatif oleh penyimpangan komposisinya dari stoikiometri karena kelebihan jumlah atom logam.

Diperoleh dengan penyemprotan diikuti dengan pirolisis, mereka divariasikan dengan lancar tergantung pada komposisinya. Film paduan yang diendapkan dengan cara ini mewakili fase kristal tunggal (heksagonal atau kubik), yang jenisnya ditentukan oleh komposisi film. Berbeda dengan film paduan yang diendapkan melalui penguapan vakum, sifat struktur kristal film yang diperoleh dengan penyemprotan tidak bergantung pada suhu pengendapan. Ketika konsentrasi seng kurang dari film

Beras. 3.20. d.Ketergantungan celah pita optik film pada parameter.

penyemprotan, rasio nilai konduktivitas listriknya dengan ada dan tidak adanya penerangan adalah 104 untuk film kadmium sulfida murni dan 1 untuk film seng sulfida murni. Hasil ini disajikan pada Gambar. 3.20,b. Resistivitas gelap film-film ini meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi. Akibat anil, resistivitas film paduan menurun, sedangkan seperti dapat dilihat dari Gambar. 3,20 V, efek anil maksimum untuk film murni dan dapat diabaikan

Adapun karakteristik optik film paduan, berubah secara halus seiring dengan variasi komposisi. Film dengan komposisi apa pun adalah semikonduktor “celah langsung”, dan ketergantungan celah pita pada komposisi ketika berpindah dari murni ke murni, seperti berikut dari Gambar. 3,20 g, berbeda dengan linier. Peningkatan yang diamati pada celah pita dengan meningkatnya konsentrasi dalam paduan berkontribusi terhadap peningkatan tegangan rangkaian terbuka sel surya berdasarkan

Perkenalan

Saat ini, jumlah bahan yang digunakan dalam teknologi elektronik untuk berbagai keperluan berjumlah beberapa ribu. Menurut klasifikasi paling umum, mereka dibagi menjadi empat kelas: konduktor, semikonduktor, dielektrik dan bahan magnetik. Di antara bahan yang paling penting dan relatif baru adalah senyawa kimia semikonduktor, di antaranya senyawa tipe A II B VI memiliki kepentingan ilmiah dan praktis yang paling besar. Salah satu materi yang paling signifikan dalam kelompok ini adalah CdS.

CdS adalah andalan teknologi IR modern, karena spektrum fotosensitifitasnya mencakup jendela transparansi atmosfer (8-14 µm), yang memancarkan semua objek lingkungan. Hal ini memungkinkan untuk digunakan dalam urusan militer, ekologi, kedokteran dan cabang aktivitas manusia lainnya. Saat ini, CdS diproduksi dalam bentuk film dengan metode hidrokimia.

Karakteristik kadmium sulfida

Diagram sistem Cd - S belum dibangun, sistem memiliki satu senyawa CdS, yang ada dalam dua modifikasi: b (heksagonal) dan c (kubik). CdS terjadi secara alami dalam bentuk mineral greenockite dan howleyite.

Struktur kristal

Senyawa tipe A II B VI biasanya mengkristal pada struktur sfalerit atau wurtzit. Struktur sfalerit berbentuk kubik, tipe B-3, grup ruang F4 3m (T d 2). Struktur wurtzite berbentuk heksagonal, tipe B-4, grup ruang P 6 3 mc (C 6v 4). Struktur-struktur ini sangat mirip satu sama lain; mereka memiliki jumlah atom yang sama di bidang koordinasi pertama dan kedua - masing-masing 4 dan 12. Ikatan antar atom pada tetrahedra kedua modifikasi tersebut sangat erat.

Kadmium sulfida telah diperoleh dengan struktur sfalerit dan wurtzit.

Sifat termodinamika dan elektrofisika

Kadmium sulfida adalah fase satu sisi dengan komposisi bervariasi, selalu memiliki kadmium berlebih. Ketika dipanaskan hingga 1350 °C, kadmium sulfida menyublim pada tekanan atmosfer tanpa meleleh; dalam ruang hampa pada 180 °C ia disuling tanpa meleleh dan tanpa dekomposisi; di bawah tekanan 100 atm ia meleleh pada suhu sekitar 1750 °C. Derajat disosiasi kadmium pada suhu di atas 1000°C mencapai 85-98%. Kalor pembentukan CdS D H 298 0 = -34,71 kkal/mol.

Tergantung pada kondisi persiapan dan perlakuan panas, sifat CdS mungkin berbeda. Dengan demikian, kristal yang tumbuh dalam uap kadmium berlebih memiliki konduktivitas termal yang jauh lebih tinggi dibandingkan kristal yang tumbuh dalam kondisi komposisi stoikiometri. Resistivitas CdS, tergantung pada berbagai faktor, dapat bervariasi dalam rentang yang luas (dari 10 12 hingga 10 -3 ohm*m).

Kelarutan kadmium dalam air tidak signifikan: 1,5 * 10 -10 mol/l.

Secara tradisional, kadmium sulfida digunakan sebagai pewarna. Hal itu bisa dilihat pada lukisan seniman besar seperti Van Gogh, Claude Monet, Matisse. DI DALAM tahun terakhir Ketertarikan terhadap hal ini terkait dengan penggunaan kadmium sulfida sebagai lapisan film untuk sel surya dan perangkat fotosensitif. Sambungan ini ditandai dengan kontak ohmik yang baik dengan banyak bahan. Hambatannya tidak bergantung pada besar dan arah arus. Berkat ini, bahan ini menjanjikan untuk digunakan dalam optoelektronik, teknologi laser, dan LED.

gambaran umum

Kadmium sulfida adalah senyawa anorganik, yang terjadi secara alami dalam bentuk mineral langka zincblende dan howliite. Mereka tidak tertarik pada industri. Sumber utama kadmium sulfida adalah sintesis buatan.

Oleh penampilan senyawa ini berbentuk bubuk warna kuning. Nuansa dapat bervariasi dari lemon hingga oranye-merah. Karena warnanya yang cerah dan ketahanannya yang tinggi terhadap pengaruh luar, kadmium sulfida telah digunakan sebagai pewarna berkualitas tinggi. Zat ini tersedia secara luas mulai abad ke-18.

Rumus kimia senyawa - CdS. Ia memiliki 2 bentuk struktur kristal: heksagonal (wurtzite) dan kubik (seng blende). Di bawah pengaruh tekanan tinggi, bentuk ketiga juga terbentuk, seperti garam batu.

Kadmium sulfida: sifat

Suatu bahan dengan struktur kisi heksagonal mempunyai sifat fisis dan mekanik sebagai berikut:

titik leleh - 1475 °C;
kepadatan - 4824 kg/m3;
koefisien ekspansi linier - (4.1-6.5) μK -1;
kekerasan pada skala Mohs - 3,8;
suhu sublimasi - 980 °C.

Koneksi ini adalah semikonduktor langsung. Ketika disinari dengan cahaya, konduktivitasnya meningkat, yang memungkinkan bahan tersebut digunakan sebagai fotoresistor. Ketika diolah dengan tembaga dan aluminium, efek pendaran diamati. Kristal CdS dapat digunakan dalam laser solid-state.

Kelarutan kadmium sulfida dalam air tidak ada, lemah dalam asam encer, dan baik dalam asam klorida dan asam sulfat pekat. Cd juga larut dengan baik di dalamnya.

Ciri-ciri zat tersebut adalah sebagai berikut Sifat kimia:

mengendap ketika terkena larutan hidrogen sulfida atau logam alkali;
ketika bereaksi dengan asam hidroklorik CdCl 2 dan hidrogen sulfida terbentuk;
ketika dipanaskan di atmosfer dengan oksigen berlebih, ia teroksidasi menjadi sulfat atau oksida (ini tergantung pada suhu di tungku pembakaran).

Kuitansi

Kadmium sulfida disintesis dalam beberapa cara:

selama interaksi uap kadmium dan belerang;
dalam reaksi senyawa yang mengandung organosulfur dan kadmium;
pengendapan dari larutan di bawah pengaruh H 2 S atau Na 2 S.

Film berdasarkan bahan ini diproduksi menggunakan metode khusus:

pengendapan kimia menggunakan tiokarbamid sebagai sumber anion sulfida;
atomisasi diikuti dengan pirolisis;
metode epitaksi berkas molekul, di mana kristal ditumbuhkan dalam kondisi vakum;
sebagai hasil proses sol-gel;
dengan metode sputtering ion;
anodisasi dan elektroforesis;
dengan metode sablon.

Untuk membuat pigmen, kadmium sulfida padat yang diendapkan dicuci, dikalsinasi untuk menghasilkan bentuk kisi kristal heksagonal, dan kemudian digiling menjadi bubuk.

Aplikasi

Berbasis pewarna dari hubungan ini memiliki ketahanan panas dan cahaya yang tinggi. Aditif dari selenide, kadmium telurida, dan merkuri sulfida memungkinkan Anda mengubah warna bubuk menjadi hijau-kuning dan merah-ungu. Pigmen digunakan dalam produksi produk polimer.

Ada area lain penerapan kadmium sulfida:

detektor (perekam) partikel elementer, termasuk radiasi gamma;
transistor film tipis;
transduser piezoelektrik yang mampu beroperasi pada rentang GHz;
produksi kawat nano dan tabung, yang digunakan sebagai tag luminescent dalam kedokteran dan biologi.

Sel surya kadmium sulfida

Panel surya film tipis adalah salah satu penemuan terbaru dalam energi alternatif. Perkembangan industri ini menjadi semakin penting, karena cadangan mineral yang digunakan untuk menghasilkan listrik semakin menipis. Keunggulan sel surya berbahan dasar kadmium sulfida adalah sebagai berikut:

biaya material yang lebih rendah dalam produksinya;
meningkatkan efisiensi konversi energi matahari menjadi energi listrik (dari 8% untuk baterai jenis tradisional menjadi 15% untuk CdS/CdTe);
kemungkinan menghasilkan energi tanpa adanya sinar langsung dan penggunaan baterai di daerah berkabut, di tempat dengan tingkat debu yang tinggi.

Film yang digunakan untuk membuat sel surya hanya setebal 15-30 mikron. Mereka memiliki struktur granular, ukuran elemennya 1-5 mikron. Para ilmuwan percaya bahwa baterai film tipis di masa depan akan mampu menjadi alternatif baterai polikristalin karena kondisi pengoperasiannya yang sederhana dan masa pakainya yang lama.