Cu2O薄膜的電化學(xué)沉積及其生長(zhǎng)機(jī)理研究

李廣立（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031）

Cu2O薄膜的電化學(xué)沉積及其生長(zhǎng)機(jī)理研究

李廣立
（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031）

采用酸性醋酸銅體系，使用透明的FTO導(dǎo)電玻璃進(jìn)行恒電位沉積Cu2O薄膜的實(shí)驗(yàn)，對(duì)Cu2O的陰極電化學(xué)過程進(jìn)行了細(xì)致的研究。使用X衍射射線與場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)Cu2O薄膜進(jìn)行有效的掃描，分析出Cu2O薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與表面形貌。通過對(duì)電沉積時(shí)間的控制，細(xì)致的研究Cu2O薄膜表面形貌發(fā)生的變化情況，最后，對(duì)Cu2O的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行討論。

Cu2O薄膜；電化學(xué)沉積；生長(zhǎng)機(jī)理

0 引言

在對(duì)Cu2O薄膜制備方法研究的過程中，電化學(xué)沉積法是最佳的選擇對(duì)象，它可以通過低溫條件下實(shí)現(xiàn)Cu2O的生長(zhǎng)，而且可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的控制，有效的改變薄膜的形貌、取向、厚度等。這種方法的特點(diǎn)是沉積的速度快，反應(yīng)設(shè)備成本低，反應(yīng)需求溫和的條件等。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1是本文實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，采用三電極系統(tǒng)，使用恒電位的沉積技術(shù)進(jìn)行Cu2O薄膜的制備，沉積電位是-0.25V，工作電極使用的是1×2cm2的導(dǎo)電玻璃FTO，對(duì)電極使用的是3×4cm2的Pt網(wǎng)，使用的參比電極是飽和甘共電極，電解液的溫度為20攝氏度，沉積的過程中，將工作電極與對(duì)電極平行的豎直放置，保持2厘米的間距。使用0.1mol/L醋酸鈉與0.02mol/L醋酸銅溶液做電解液，將醋酸溶液調(diào)節(jié)至pH≈5.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，使用去離子水對(duì)薄膜進(jìn)行沖洗，沖洗好后，在室溫下進(jìn)行干燥處理。

圖1 沉積Cu2O薄膜實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射（XRD）分析

圖2是不同沉積時(shí)間下制備的Cu2O薄膜的XRD圖譜。通過圖2可以看出，沉積時(shí)間短，得到了很弱的Cu2O峰，當(dāng)處于20至35度的范圍的時(shí)候，基底表現(xiàn)出的峰最明顯。沉積時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，逐漸加強(qiáng)了Cu2O的衍射峰，當(dāng)2θ在29.55°、36.4°、42.3°、61.4°、73.55°的位置時(shí)，都會(huì)有Cu2O的衍射峰出現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)Cu2O的（110）、（111）、（200）、（220）、（311）晶面，是純相立方結(jié)構(gòu)Cu2O。同時(shí)，通過圖2可以得出，［200］峰的時(shí)候是最強(qiáng)的衍射峰，在與其他分進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候，很明顯高于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，特別是與［111］峰進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候，超過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值很多。這些因素說明了基于這種條件下，通過電化學(xué)沉積得到的Cu2O薄膜有很強(qiáng)的各向異性，沿著（200）的方向有很強(qiáng)的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的特點(diǎn)。

圖2 不同沉積時(shí)間所得Cu2O薄膜的XRD圖譜

2.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）分析

如圖3所示，當(dāng)沉積時(shí)間為2分鐘的時(shí)候，形成星狀的Cu2O顆粒，均勻分散在FTO的表面，尺寸在幾百納米（如圖3a）。當(dāng)沉積時(shí)間為5分鐘的時(shí)候，Cu2O的尺寸隨著時(shí)間的增長(zhǎng)發(fā)生了變化，成為四足狀（如圖3b），得到的納米顆粒是沿著星形顆粒的頂點(diǎn)快速生長(zhǎng)的結(jié)果。時(shí)間在不斷增長(zhǎng)，Cu2O顆粒就會(huì)不斷的成長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)間為15分鐘的時(shí)候，樣品表面形貌會(huì)發(fā)生一些變化，表現(xiàn)出花瓣?duì)睿纬深w粒的尺寸在1至8?m之間（如圖3c）。沉積時(shí)間達(dá)到30分鐘的時(shí)候，Cu2O顆粒出現(xiàn)了分支，并且分支開始成長(zhǎng)，有效的將這些分支連接在一起，組成完整的個(gè)體，在FTO表面形成一層很密實(shí)的薄膜（如圖3d）。

圖3 不同沉積時(shí)間所得Cu2O薄膜的FESEM圖

3 結(jié)語

綜上所述，本次實(shí)驗(yàn)是采用電化學(xué)沉積方法，在酸性醋酸銅體系中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到純的Cu2O晶粒，沿著（200）方向， Cu2O具有擇優(yōu)生長(zhǎng)取向。Cu2O的成核發(fā)生在一瞬間，隨時(shí)間的變化，結(jié)晶顆粒也在不斷的變化。

［1］趙文燕，田傳進(jìn)，汪長(zhǎng)安，謝志鵬，楊海濱，付烏有.Cu2O薄膜的電化學(xué)沉積和生長(zhǎng)機(jī)理研究［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2013，（3）：452-455.

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