Фотоэлектрохимия оксидов меди, анодно сформированных на cu-zn сплавах

Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия

Оксиды металлов не только играют определяющую роль в анодных и коррозионных процессах, но и находят широкое применение в современных полупроводниковых технологиях. Поскольку свойства оксидов определяют саму возможность их практического использования, исследования в данной области являются актуальными. Наиболее доступным и информативным методом является измерение фототока и фотопотенциала в сочетании с электрохимическими традиционными измерениями. Цель данной работы – определить полупроводниковые характеристики тонких пленок оксидов Cu(I) и Cu(II), анодно синтезированных в деаэрированном 0,1 М KОН на сплавах Cu-Zn с концентрацией цинка от 10 до 30 ат.%.

После катодной подготовки электрод подвергался анодной поляризации при потенциалах из области образования оксида Cu(I) (Е = -0,17; 0,00 В) и Cu(II) (Е = 0,10; 0,20 В). При потенциостатической поляризации в области роста оксида Cu(I) на хроноамперограммах сплавов наблюдается уменьшение анодного тока во времени: вначале резкое, а затем более медленное (рис.1а), тогда как при потенциалах роста оксида Cu(II) выявляется четкий максимум, отвечающий процессам зародышеобразования (рис. 1б). Во всем временном интервале токи слегка увеличиваются с ростом концентрации цинка в сплаве.

Рис. 1. Хроноамперограммы (а), (б) и фототок (в), (г) на сплавах Cu10Zn (1), Cu15Zn (2), Cu20Zn (3)

и Cu30Zn (4) в 0,1 М KOH при E = -0,17 (а), (в) и 0,10 В (б), (г)

Почти сразу после включения поляризации при освещении поверхности электрода сверхярким светодиодом с длиной волны 400 нм генерируется отрицательный фототок (рис. 1в, г), который свидетельствует о появлении оксидной фазы р-типа на поверхности сплава, что согласуется с предыдущими работами [1]. Амплитуда катодного фототока довольно быстро возрастает, после чего стабилизируется. Исключение составляет фототок, регистрируемый в CuO на Cu10Zn, для которого наблюдается рост фототока во всем временном интервале.

На всех сплавах и при всех потенциалах амплитуда фототока i_ph увеличивается во времени, то есть по мере накопления заряда и утолщения анодной пленки. Такая форма зависимости характерна для тонких оксидных пленок с толщиной, не превышающей ширины области пространственного заряда полупроводника [1]:

Здесь e – заряд электрона, h – эффективность генерации носителей заряда в результате освещения, f - коэффициент, учитывающий различие в скоростях процессов рекомбинации дырок и их потребления в электрохимической реакции на границе оксид/раствор, Ф₀ – плотность светового потока, R – коэффициент отражения светового потока от внешней (по отношению к подложке) границы оксида, a – показатель поглощения света, L – толщина оксидной пленки,  – максимальный фототок.

Численная обработка показывает, что максимальный фототок  растет с увеличением потенциала поляризации сплава (табл.). Четкой зависимости от состава сплава не наблюдается. Показатель поглощения света α и концентрация акцепторных дефектов N_А в оксидах на сплавах в целом меньше, чем в оксидах на меди, а ширина области пространственного заряда W, наоборот, больше.

Таблица. Зависимость структурных и оптических характеристик оксидов Cu(I) и Cu(II)

от потенциалов их формирования на сплавах при l = 400 нм и F₀ = 3,04×10¹⁵ фотон/с×см²

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Госзадания вузам на 2014-2016 гг. № 675.

Литература

1. Ганжа С.В., Кухарева Н.В., Грушевская С.Н., Введенский А.В.  Конденсированные среды и межфазные границы. 2010.  Т. 12, вып. 1. С. 42-52.

Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия