電沉積法制備硫化鎘薄膜及表征

吳建文，汪 濤，蘇乾民，楊長安，張欽峰

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑系，四川 德陽 618000；2. 陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

電沉積法制備硫化鎘薄膜及表征

吳建文1，汪 濤1，蘇乾民1，楊長安2，張欽峰2

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑系，四川 德陽 618000；2. 陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

以CdCl2和Na2S2O3混合溶液為電解液，采用電沉積法在ITO導(dǎo)電玻璃基片上制備了CdS納米薄膜。討論了沉積電壓、熱處理等工藝因素對薄膜的影響。分別采用X射線衍射儀（XRD），電子色散能譜儀（EDS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）分析了硫化鎘薄膜的物相結(jié)構(gòu)和表面形貌。結(jié)果表明制備的硫化鎘薄膜熱處理前為非晶相，熱處理后的硫化鎘薄膜出現(xiàn)六方纖鋅礦CdS相。沉積電壓非常重要，小于4.0 V時，制備的硫化鎘薄膜由六方纖鋅礦CdS相和六方相金屬Cd組成。

電沉積；硫化鎘；薄膜

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.010

0　引 言

硫化鎘是一種Ⅱ-Ⅵ化合物半導(dǎo)體材料，其具有較大的帶隙寬度（約2.43 eV），被廣泛應(yīng)用于各種光電器件的制造［1-10］。CdS薄膜材料適用于太陽能電池的窗口層，作為N型層與P型材料形成PN結(jié)構(gòu)，從而形成太陽能電池。硫化鎘的上述優(yōu)良的性能引起了人們對它的廣泛、深入的研究。制備性能穩(wěn)定的硫化鎘納米薄膜是當(dāng)今的研究熱點［11， 12］。與其他方法相比，電沉積法具有溫度低、效率高、易控制、可大面積生產(chǎn)的特點［13-17］，且可以在形狀復(fù)雜的基底上制備均勻的薄膜材料。本論文以CdCl2和Na2S2O3混合溶液作為電解液，采用電沉積法在ITO導(dǎo)電玻璃上制備了硫化鎘納米薄膜。

1　實 驗

1.1CdS薄膜制備

在燒杯中配置0.02 mol/LCdCl2和0.1 mol/L Na2S2O3的混合溶液100 mL，在磁力攪拌器上攪拌25 min使其充分溶解、混合均勻；ITO玻璃依次用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗20 min；將洗凈活化后的ITO玻璃基片夾在直流恒壓恒流電源的負(fù)極，以石墨電極做正極，帶有透明導(dǎo)電薄膜ITO的玻璃為負(fù)極，將負(fù)極的基片和石墨電極插入電解液中，注意不要使兩電極接觸到器壁；在ITO玻璃基 片上分別以2.0 V、2.55 V、3.0 V、3.5 V、4.0 V和4.5 V的電壓進行沉積， 沉積時間均為25 min；然后在真空干燥箱中80 ℃干燥2 h。電沉積溶液的pH 值為3.5， 溫度為室溫，沉積得到的CdS薄膜在500 ℃， N2氣氛保護下熱處理1 h。

薄膜的制備工藝中，薄膜的生長通過自制的陰極恒電壓電化學(xué)沉積裝置進行，其設(shè)備的簡圖如圖1所示。

1.2樣品表征

對薄膜的相組成分析采用日本理學(xué)（Rigaku）D/Max-2200PC型X射線衍射儀，CuKα射線（λ=0.15406 nm），管壓為40 kV，管流為40 mA，掃描速度8 deg·min-1，掃描范圍15 °-70 °。對顯微結(jié)構(gòu)觀察采用日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-6390A型掃描電子顯微鏡。對薄膜表面形貌分析采用日本精工的SPA400-SPI3800N型原子力顯微鏡（AFM）。

圖1　電沉積CdS薄膜裝置圖Fig.1 The installation picture of electrodeposition method

圖2　不同沉積電壓下熱處理前的XRD圖Fig.2 XRD spectrum of CdS under different deposition voltage before thermal treatment

2　 結(jié)果分析與討論

2.1沉積電壓對薄膜晶相結(jié)構(gòu)的影響

圖2為不同沉積電壓下制備的CdS薄膜XRD圖。從圖中可以看出，在2θ為32°，35°，38° 和47°處均出現(xiàn)了明顯的衍射峰，對照標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片可知，分別對應(yīng)于六方相金屬Cd的（002），（100），（101），和（102）方向的衍射峰，位置與JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片（NO.05-0674）的衍射數(shù)據(jù)吻合，表明得到的是六方晶型的金屬Cd膜。沒有發(fā)現(xiàn)明顯的CdS的衍射峰，但從圖3熱處理前的EDS能譜圖中得出薄膜中有S元素存在，且Cd與S元素的摩爾量之比為0.7左右，薄膜中主要成分為硫化鎘，但是結(jié)晶程度非常不好，為非晶相的硫化鎘，在后面得到驗證。從圖2中可得出，隨著沉積電壓的增加，金屬鎘的衍射峰強度逐漸增加，到3.0 V時達到最強，之后隨著電壓的升高，強度逐漸降低，到4.5 V時，衍射峰全部消失。沉積電壓到4.5 V時，憑肉眼觀察不到有薄膜存在，是因為電壓太高，不利于CdS薄膜沉積。

圖3　電壓為4 V時熱處理前的EDS譜Fig.3 EDS spectrum of CdS under 4 V deposition voltage before thermal treatment

圖4 不同沉積電壓下熱處理后XRD圖Fig.4 XRD spectrum of CdS under different deposition voltage after thermal treatment

圖4為不同沉積電壓下制備并熱處理后的CdS薄膜XRD圖。圖中可以看出，在2θ為24.81°，26.51°，28.18°和43.68°處出現(xiàn)的衍射峰，與六方相CdS晶的（100），（002），（101），和（110）方向的衍射峰分別對應(yīng)；與JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片（NO.41-1049）的衍射數(shù)據(jù)也吻合，表明得到的薄膜是六方相纖鋅礦型CdS晶［空間群P63mc（186）］。其中（002）方向的衍射峰強度較大，隨著沉積電壓的升高，CdS 晶相的衍射峰逐漸增強。沉積電壓為2 V 時，薄膜中CdS與Cd的衍射峰都較微弱。當(dāng)電壓升高至3.5 V時，薄膜的CdS衍射峰峰形完整，出現(xiàn)了（002）晶面的衍射峰。當(dāng)電壓升至4 V時，只有硫化鎘（002）晶面的衍射峰存在，CdS在（002）晶面上的衍射峰峰形尖銳，這說明隨著電壓的升高，CdS 薄膜結(jié)晶性能變好，同時還表現(xiàn)出一定程度的沿（002）晶面取向生長的特征。結(jié)合圖5分析可知，薄膜中有S元素的存在且Cd與S元素的摩爾量之比為0.8左右，接近1∶1，結(jié)合上述分析，是CdS薄膜。而圖4中沉積電壓為4.5 V時熱處理后的薄膜未出現(xiàn)任何明顯的衍射峰，與熱處理前基本一致，進一步說明當(dāng)電壓增加到4.5 V時，不利于沉積硫化鎘薄膜。

圖5　電壓為4 V時熱處理后的EDS譜Fig.5 EDS spectrum of CdS under 4 V deposition voltage after thermal treatment

圖7　沉積電壓為4.0 V時的AFM圖Fig.7 AFM picture of CdS under 4 V deposition voltage after thermal treatment

2.2沉積電壓對薄膜表面形貌的影響

圖6為不同沉積電壓下所沉積CdS薄膜表面的SEM 照片，圖7是沉積電壓為4.0 V時的AFM圖。從圖可以看出：在沉積電壓為3 V時所制備的薄膜表面存在很多粒徑較大的顆粒狀晶粒，致密性和均勻性較差（如圖5a所示）。隨著沉積電壓的升高（圖b、圖c），薄膜表面的顆粒狀晶粒的粒徑減小且數(shù)量明顯減少，薄膜的致密性和均勻性有很大的提高。這是由于沉積電壓的升高，薄膜的結(jié)晶程度逐漸提高，形成了更加致密和完整均勻的CdS薄膜。沉積電壓為4.0 V時，所制備的硫化鎘均勻性和致密性較好，薄膜表面起伏度較小，約為幾十納米。

圖6　不同電壓下熱處理后的SEM圖 （a： 3.0 V； b： 3.5 V； c： 4.0 V ）Fig.6 SEM pictures of CdS under different deposition voltage after thermal treatment （a： 3.0 V； b： 3.5 V； c： 4.0 V）

3　結(jié) 論

（1）電沉積制備的CdS薄膜為非晶，要經(jīng)過熱處理，熱處理前為六方晶型的金屬Cd膜，熱處理后出現(xiàn)了六方纖鋅礦型的CdS晶；

（2）沉積電壓對電沉積制備CdS薄膜非常重要，當(dāng)沉積電壓為小于4.0V時，得到是CdS與金屬Cd的混合膜，沉積電壓為4.0 V時，得到的是純的CdS薄膜，當(dāng)電壓達到4.5 V時，不利于CdS薄膜的沉積；

（3）沉積電壓對薄膜結(jié)晶形貌影響較大，沉積電壓越高，薄膜的結(jié)晶程度越高，更易形成致密和完整均勻的CdS薄膜。

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Preparation and Characterization of Cadmium Sulfde Thin Films by Electrodeposition

WU Jianwen1， WANG Tao1， SU Qianmin1， YANG Chang'an2， ZHANG Qinfeng2
（1. Department of Architecture， Sichuan Engineering Technical College， Deyang 618000， Sichuan， China； 2. School of Materials Science & Engineering， Shaanxi University of Science & Technology， Xi'an 710021， Shaanxi， China）

Electrochemical method was adopted to deposit CdS thin flms on the surface of ITO glass using CdCl2and Na2S2O3as source materials. The infuence of deposition voltage and heat-treatment on the phase compositions， surface morphologies properties of the flms，the phase， microstructure and element distribution of CdS thin flms were characterized by X-ray diffraction， scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy techniques. The results showed that the as-prepared cadmium sulfde thin flm exhibits amorphous phase before thermal processing and a hexagonal wurtzite CdS structure after the treatment. Deposition voltage is very important， and the cadmium sulfde thin flms prepared under the deposition voltage of less than 4.0 V are composed of hexagonal wurtzite CdS phases and hexagonal Cd phase.

electrodeposition， ccadmium sulfde， thin flm

date: 2014-11-23 . Revised date: 2014-12-26.

TQ174.75

A

1000-2278（2015）02-0162-04

2014-11-23。

2014-12-26。

通信聯(lián)系人：汪濤（1983-），男，碩士，講師。

Correspondent author:WANAG Tao（1983-）， male， Master， Lecturer.

E-mail:wtao0423@163.com