Полупроводники I-III-VI
I-III-VI 2 Полупроводники — это твердые полупроводниковые материалы, содержащие три и более химических элемента , принадлежащих к группам I, III и VI (группы IUPAC 1/11, 13 и 16) таблицы Менделеева . Обычно они включают два металла и один халькоген . Некоторые из этих материалов имеют ширину запрещенной зоны E g примерно 1,5 эВ, что делает их эффективными поглотителями солнечного света и, следовательно, потенциальными материалами для солнечных батарей . [1] Четвертый элемент часто добавляется к материалу I-III-VI 2 для настройки запрещенной зоны для достижения максимальной эффективности солнечного элемента . Характерным примером является селенид меди, индия, галлия (CuIn x Ga (1– x ) Se 2 , E g = 1,7–1,0 эВ для x = 0–1 [2] ), который используется в солнечных элементах на основе селенида меди, индия, галлия .
CuGaO 2
[ редактировать ]CuGaO 2 существует в двух основных полиморфах : α и β. Альфа-форма имеет кристаллическую структуру делафоссита и может быть получена путем взаимодействия Cu 2 O с Ga 2 O 3 при высоких температурах. β-форма имеет вюрциту кристаллическую структуру, подобную ( пространственная группа Pna2 1 ); он метастабилен, но демонстрирует долговременную стабильность при температурах ниже 300 ° C. [4] Его можно получить ионным обменом Na. + ионы в прекурсоре β-NaGaO 2 с Cu + ионы в CuCl в вакууме, чтобы избежать окисления Cu + в Cu 2+ . [3]
I-III-VI 2 В отличие от большинства оксидов , которые представляют собой прозрачные электроизолирующие твердые вещества с шириной запрещенной зоны выше 2 эВ, β-CuGaO 2 имеет прямую запрещенную зону 1,47 эВ, что благоприятно для применения в солнечных элементах. Напротив, β-AgGaO 2 и β-AgAlO 2 имеют непрямую запрещенную зону. Нелегированный β-CuGaO 2 представляет собой полупроводник p-типа . [3]
AgGaO 2 и AgAlO 2
[ редактировать ]
Аналогично CuGaO 2 , α-AgGaO 2 и α-AgAlO 2 имеют кристаллическую структуру делафоссита , а структура соответствующих β-фаз подобна вюрциту ( пространственная группа Pna2a). β-AgGaO 2 метастабилен и может быть синтезирован путем ионного обмена с предшественником β-NaGaO 2 . Запрещенные зоны β-AgGaO 2 и β-AgAlO 2 (2,2 и 2,8 эВ соответственно) являются непрямыми; они попадают в видимый диапазон и могут быть настроены путем легирования ZnO . По этой причине оба материала вряд ли подходят для солнечных элементов, но имеют потенциальное применение в фотокатализе . [3]
В отличие от LiGaO 2 , AgGaO 2 нельзя легировать ZnO путем нагревания их смеси из-за содержания Ag + восстановление до металлического серебра; поэтому магнетронное распыление мишеней AgGaO 2 и ZnO. вместо этого используется [3]
LiGaO 2 и LiGaTe 2
[ редактировать ]
Чистые монокристаллы β-LiGaO 2 длиной несколько дюймов можно вырастить методом Чохральского . Их сколы имеют постоянную решетки, соответствующую параметрам ZnO и GaN , и поэтому подходят для эпитаксиального выращивания тонких пленок этих материалов. β-LiGaO 2 является потенциальным материалом для нелинейной оптики , но его прямая запрещенная зона 5,6 эВ слишком широка для приложений видимого света. Его можно снизить до 3,2 эВ, легировав β-LiGaO 2 ZnO. Настройка запрещенной зоны является прерывистой, поскольку ZnO и β-LiGaO 2 не смешиваются, а образуют фазу Zn 2 LiGaO 4 , когда их соотношение находится между ок. 0,2 и 1. [3]
Кристаллы LiGaTe 2 размером до 5 мм можно вырастить в три этапа. Сначала элементы Li, Ga и Te плавятся в вакуумированной кварцевой ампуле при температуре 1250 К в течение 24 часов. На этом этапе Li вступает в реакцию со стенками ампулы, выделяя тепло, и частично расходуется. На втором этапе расплав гомогенизируют в запаянной кварцевой ампуле, покрытой изнутри пиролитическим углеродом для снижения реакционной способности лития. Температуру гомогенизации выбирают ок. на 50 К выше температуры плавления LiGaTe 2 . Затем кристаллы выращивают из гомогенизированного расплава методом Бриджмена–Стокбаргера в двухзонной печи. Температура начала кристаллизации на несколько градусов ниже температуры плавления LiGaTe 2 . Ампулу перемещают в холодную зону со скоростью 2,5 мм/сут в течение 20 дней. [5]
| Формула | а (Å) | б (Å) | с (Å) | Космическая группа | Плотность (г/см 3 ) |
Температура плавления (К) |
запрещенная зона (эВ) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| α-LiGaO 2 [7] | 2.92 | 2.92 | 14.45 | Р 3 м | 5.07 | м | 5.6д |
| β-LiGaO 2 [8] | 5.406 | 6.379 | 5.013 | Пна2 1 | 4.18 | м | 5.6д |
| ЛиГаСе 2 [5] | Пна2 1 | ||||||
| ЛиГаТе 2 [5] | 6.33757(2) | 6.33757(2) | 11.70095(5) | я 4 3д | 940 [9] | 2.41 | |
| ЛиИнТе 2 [10] | 6.398 | 6.398 | 12.46 | я 4 2д | 4.91 | 1.5 [5] | |
| CuAlS 2 | 5.323 | 5.323 | 10.44 | я 4 2д | 3.47 | 2500 | 2.5 |
| CuAlSe 2 | 5.617 | 5.617 | 10.92 | я 4 2д | 4.70 | 2260 | 2.67 |
| КуАлТе 2 | 5.976 | 5.976 | 11.80 | я 4 2д | 5.50 | 2550 | 0.88 |
| β-CuGaO 2 [4] | 5.46004(1) | 6.61013(2) | 5. 27417(1) | Пна2 1 | м | 1.47д | |
| CuGaS 2 | 5.360 | 5.360 | 10.49 | я 4 2д | 4.35 | 2300 | 2.38 |
| CuGaSe 2 | 5.618 | 5.618 | 11.01 | я 4 2д | 5.56 | 1970 | 0.96; 1.63 |
| КуГаТе 2 | 6.013 | 6.013 | 11.93 | я 4 2д | 5.99 | 2400 | 0.82; 1.0 |
| КУИНС 2 | 5.528 | 5.528 | 11.08 | я 4 2д | 4.75 | 1400 | 1.2 |
| КуИнСе 2 | 5.785 | 5.785 | 11.56 | я 4 2д | 5.77 | 1600 | 0.86; 0.92 |
| КуИнТе 2 | 6.179 | 6.179 | 12.365 | я 4 2д | 6.10 | 1660 | 0.95 |
| РАЗРЕЗЫ 2 | 5.58 | 5.58 | 11.17 | я 4 2д | 6.32 | ||
| РАЗРЕЗ 2 | 5.844 | 5.844 | 11.65 | я 4 2д | 7.11 | 900 | 1.07 |
| CuFeO 2 | 3.035 | 3.035 | 17.166 | Р 3 м | 5.52 | ||
| CuFeS 2 | 5.29 | 5.29 | 10.32 | я 4 2д | 4.088 | 1135 | 0.53 |
| CuFeSe 2 [11] | 5.544 | 5.544 | 11.076 | П 4 2с | 5.41 | 850 | 0.16 |
| КуЛаС 2 | 5.65 | 5.65 | 10.86 | я 4 2д | |||
| β-AgAlO 2 | м | 2.8i | |||||
| AgAlS 2 | 5.707 | 5.707 | 10.28 | я 4 2д | 3.94 | ||
| АгАлСе 2 | 5.986 | 5.986 | 10.77 | я 4 2д | 5.07 | 1220 | 0.7 |
| АгАлТе 2 | 6.309 | 6.309 | 11.85 | я 4 2д | 6.18 | 1000 | 0.56 |
| α- AgGaO2 | P6 3 мк | 4.12д [12] | |||||
| β- AgGaO2 | Пна2а | м | 2.2и | ||||
| AgGaS 2 | 5.755 | 5.755 | 10.28 | я 4 2д | 4.72 | 1.66 | |
| AgGaSe 2 | 5.985 | 5.985 | 10.90 | я 4 2д | 5.84 | 1120 | 1.1 |
| АгГаТе 2 | 6.301 | 6.301 | 11.96 | я 4 2д | 6.05 | 990 | 1.32 [5] |
| АгИнС 2 | 5.828 | 5.828 | 11.19 | я 4 2д | 5.00 | 1.18 | |
| АгИнСе 2 | 6.102 | 6.102 | 11.69 | я 4 2д | 5.81 | 1053 | 0.96; 0.52 |
| АгИнТе 2 | 6.42 | 6.42 | 12.59 | я 4 2д | 6.12 | 965 | 1.03 [5] |
| АгФеС 2 | 5.66 | 5.66 | 10.30 | я 4 2д | 4.53 | 0.88 [13] |
- m означает метастабильный, d - прямой, а i - непрямой запрещенной зоны.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шишодия, Шубхам; Шушен, Билель; Грис, Томас; Шнайдер, Рафаэль (31 октября 2023 г.). «Избранные полупроводники I-III-VI2: синтез, свойства и применение в фотоэлектрических элементах» . Наноматериалы . 13 (21): 2889. дои : 10.3390/nano13212889 . ISSN 2079-4991 . ПМЦ 10648425 .
- ^ Тиноко, Т.; Ринкон, К.; Кинтеро, М.; Перес, GSN (1991). «Фазовая диаграмма и оптическая энергетическая щель для сплавов CuIn y Ga 1- y Se 2 ». Физический статус Солиди А. 124 (2): 427–434. Бибкод : 1991PSSAR.124..427T . дои : 10.1002/pssa.2211240206 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Омата, Т.; Нагатани, Х.; Сузуки, И.; Кита, М. (2015). на основе вюрцита I–III–O 2 «Тройные полупроводники » . Наука и технология перспективных материалов . 16 (2): 024902. Бибкод : 2015STAdM..16b4902O . дои : 10.1088/1468-6996/16/2/024902 . ПМК 5036475 . ПМИД 27877769 .
- ^ Jump up to: а б Нагатани, Х.; Сузуки, И.; Кита, М.; Танака, М.; Кацуя, Ю.; Саката, О.; Миёси, С.; Ямагучи, С.; Омата, Т. (2015). «Структурные и термические свойства тройного узкозонного оксидного полупроводника; β-CuGaO 2 , полученного из вюрцита ». Неорганическая химия . 54 (4): 1698–704. дои : 10.1021/ic502659e . ПМИД 25651414 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Атучин В.В.; Лян, Фэй; Гражданников С.; Исаенко Л.И.; Криницын, П.Г.; Молокеев, М.С.; Просвирин, ИП; Цзян, Синсин; Линь, Чжэшуай (2018). «Отрицательное тепловое расширение и изменение электронной структуры халькопирита типа LiGaTe 2 » . РСК Прогресс . 8 (18): 9946–9955. Бибкод : 2018RSCAd...8.9946A . дои : 10.1039/c8ra01079j . ПМЦ 9078859 . ПМИД 35540803 .
- ^ Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . стр. 12.82 и 12.87. ISBN 1-4398-5511-0 .
- ^ Хоппе, Р. (1965) Бюлл. Соц. Хим. Пт, 11:15–11:21.
- ^ Konovalova E.A., Tomilov N.P. (1987) Russ. J. Inorg. Chem. 32, 1785–1787
- ^ Васильева Инга Г.; Николаев Руслан Евгеньевич; Криницын Павел Георгиевич; Исаенко, Людмила И. (2017). «Фазовые переходы нелинейно-оптических кристаллов LiGaTe 2 до и после плавления». Журнал физической химии C. 121 (32): 17429–17435. дои : 10.1021/acs.jpcc.7b04962 .
- ^ Хёнле, В.; Кюн, Г.; Нойманн, Х. (1986). «Кристаллическая структура LiInTe 2 ». Журнал неорганической химии . 532 : 150–156. дои : 10.1002/zaac.19865320121 .
- ^ Вулли, Джей Си; Ламарш, А.-М.; Ламарш, Г.; Брун Дель Ре, Р.; Кинтеро, М.; Гонсалес-Хименес, Ф.; Суэйнсон, ИП; Холден, ТМ (1996). «Низкотемпературное магнитное поведение CuFeSe 2 по данным нейтронографии». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 164 (1–2): 154–162. Бибкод : 1996JMMM..164..154W . дои : 10.1016/S0304-8853(96)00365-4 .
- ^ Ванайя, Калифорния; Аджимша, РС; Аша, А.С.; Радживкумар, К.; Джаярадж, МК (2008). «Импульсное лазерное осаждение тонких пленок α-AgGaO 2 p-типа » . Тонкие твердые пленки . 516 (7): 1426–1430. Бибкод : 2008TSF...516.1426V . дои : 10.1016/j.tsf.2007.07.207 .
- ^ Шакка, Б.; Ялчин, АО; Гарнетт, ЕС (2015). «Превращение Ag-нанопроволок в полупроводниковые AgFeS 2 -нанопроволоки» . Журнал Американского химического общества . 137 (13): 4340–4343. дои : 10.1021/jacs.5b02051 . ПМИД 25811079 . S2CID 207154477 .
