Колоїдні нанокристали на основі Cu2ZnSnS4 леговані Ag: синтез та дослідження методом раманівської спектроскопії

Автор(и)

  • В. Джаган Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни
  • О. Капуш Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни
  • С. Будзуляк Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ
  • Н. Мазур Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни
  • Є. Гаврилюк Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни
  • О. Литвинчук Техаський центр надпровідності і фізичний департамент, Г’юстонський університет
  • С. Кондратенко Національний університет ім. Тараса Шевченка
  • В. Юхимчук Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни
  • М. Валах Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної академії наук Укрвїни

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.260-268

Ключові слова:

CZTS, нанокристали, колоїдний розчин, раманівська спектроскопія, фонони, DFT, сонячні елементи

Анотація

Cu2ZnSnS4 (CZTS) - один із перспективних матеріалів для поглинаючих шарів тонкоплівкових сонячних елементів нового покоління. В даній роботі розглянуто різні підходи синтезу таких матеріалів з покращеними властивостями та досліджено їх структурні та оптичні характеристики. Варіювання параметрів CZTS (НК) здійснювалося шляхом часткового заміщення катіонів в процесі їх синтезу в колоїдному водному розчині. Зміна параметрів синтезу, зокрема рН розчину, застосовувалась для поліпшення кристалічності НК. Крім того, були успішно синтезовані НК CZTS з частковим заміщенням Cu на Ag. Раманівська спектроскопія використовувалась як основний метод структурної характеристики отриманих НК, поряд із оптичною спектроскопією поглинання та розрахунками динаміки ґратки ab initio DFT (Density Functional Theory).  В експериментальних раманівських спектрах спостерігається незначний високочастотний зсув характеристичної смуги при збільшенні вмісту Ag в НК (AgxCu1-x)2ZnSnS4 , що добре узгоджується з розрахунками DFT. Той факт, що даним методом не було отримано чистих Ag2ZnSnS4 НК вказує на критичну роль Cu у формуванні структури кестериту в заданих умовах синтезу у водному середовищі.

Біографії авторів

О. Литвинчук, Техаський центр надпровідності і фізичний департамент, Г’юстонський університет

Texas Center for Superconductivity and Department of Physics

С. Кондратенко, Національний університет ім. Тараса Шевченка

фізичний факультет

Посилання

B. Zhang, J. Sun, U. Salahuddin, P. Gao, Nano Futur. 4, 012002 (2020).

O. Stroyuk, Springer, Cham, 2018 https://doi.org/10.1007/978-3-319-68879-4.

A.I. Kachmar, V.M. Boichuk, I.M. Budzulyak, O. Volodymyr, B.I. Rachiy, R.P. Lisovskiy, et al., Fullerenes, Nanotub. Carbon Nanostructures 27, 669 (2019) https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1618840.

H. Zhou, W. Hsu, H. Duan, B. Bob, W. Yang, Energy Environ. Sci. 6, 2822 (2013) https://doi.org/10.1039/c3ee41627e.

V.A. Akhavan, B.W. Goodfellow, M.G. Panthani, C. Steinhagen, T.B. Harvey, C.J. Stolle, et al., J. Solid State Chem. 189, 2 (2012) https://doi.org/10.1016/j.jssc.2011.11.002.

S. Giraldo, Z. Jehl, M. Placidi, V. Izquierdo-roca, A. Pérez-rodríguez, E. Saucedo, Adv. Mater. 1806692 (2019) https://doi.org/10.1002/adma.201806692.

Y.E. Romanyuk, S.G. Haass, S. Giraldo, M. Placidi, D. Tiwari, D.J. Fermin, et al., J. Phys. Energy 1, 044004 (2019) https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab23bc.

X. Yu, S. Cheng, Q. Yan, J. Yu, W. Qiu, Z. Zhou, et al., RSC Adv. 8, 27686 (2018) https://doi.org/10.1039/C8RA04958K.

X. Liang, P. Wang, B. Huang, Q. Zhang, Z. Wang, Y. Liu, et al., ChemPhotoChem. 811 (2018) https://doi.org/10.1002/cptc.201800109.

I. Tsuji, Y. Shimodaira, H. Kato, H. Kobayashi, A. Kudo, Chem. Mater. 22, 1402 (2010) https://doi.org/10.1021/cm9022024.

N. Liu, F. Xu, Y. Zhu, Y. Hu, G. Liu, L. Wu, et al., J. Mater. Sci Mater. Electron. 31, 5760 (2020) https://doi.org/10.1007/s10854-020-03146-8.

A. Saha, A. Figueroba, G. Konstantatos, Chem. Mater. 32, 2148 (2020) https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b05370.

O. Stroyuk, A. Raevskaya, N. Gaponik, Chem. Soc. Rev. 47, 5354 (2018) https://doi.org/10.1039/c8cs00029h.

M. Dimitrievska, A. Fairbrother, X. Fontané, T. Jawhari, V. Izquierdo-Roca, E. Saucedo, et al., Appl. Phys. Lett. 104, 021901 (2014) https://doi.org/10.1063/1.4861593.

Y. Havryliuk, M.Y. Valakh, V. Dzhagan, O. Greshchuk, V. Yukhymchuk, A. Raevskaya, et al., RSC Adv. 8, 30736 (2018) https://doi.org/10.1039/C8RA05390A.

M. Guc, A.P. Litvinchuk, S. Levcenko, M.Y. Valakh, I. V. Bodnar, V.M. Dzhagan, et al., RSC Adv. 6, 13278 (2016) https://doi.org/10.1039/C5RA26844C.

J.F.L. Lox, Z. Dang, V.M. Dzhagan, D. Spittel, B. Martín-García, I. Moreels, et al., Chem. Mater. 30, 2607 (2018) https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b05187.

J. Li, B. Kempken, V. Dzhagan, D.R.T. Zahn, J. Grzelak, S. Mackowski, et al., CrystEngComm. 17, 5634 (2015) https://doi.org/10.1039/C5CE00380F.

V.V Brus, I.S. Babichuk, I.G. Orletskyi, P.D. Maryanchuk, V.O. Yukhymchuk, V.M. Dzhagan, et al., Appl. Opt. 55, B158 (2016) https://doi.org/10.1364/AO.55.00B158.

G. Gurieva, D.M. Többens, M.Y. Valakh, S. Schorr, J. Phys. Chem. Solids. 99, 100 (2016) https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2016.08.017.

V. Dzhagan, B. Kempken, M. Valakh, J. Parisi, J. Kolny-Olesiak, D.R.T. Zahn, Appl. Surf. Sci. 395, 24 (2017) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.08.063.

V.M. Dzhagan, Y.M. Azhniuk, A.G. Milekhin, D.R.T. Zahn, J. Phys. D Appl. Phys. 51, 503001 (2018) https://doi.org/10.1088/1361-6463/aada5c.

V.V. Strelchuk, S.I. Budzulyak, I.M. Budzulyak, R.V. Ilnytsyy, V.O. Kotsyubynskyy, M.Ya. Segin, L.S.Yablon, Semicond. Physics, Quantum Electron. Optoelectron. 13, 309 (2010) https://doi.org/10.15407/spqeo13.03.

O. Selyshchev, Y. Havryliuk, M.Y. Valakh, V.O. Yukhymchuk, O. Raievska, O.L. Stroyuk, et al., ACS Appl. Nano Mater. 3, 5706 (2020) https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00910.

K. Cheng, S. Hong, ACS Appl. Mater. Interfaces. 10, 22130 (2018) https://doi.org/10.1021/acsami.8b04849.

K. Pietak, C. Jastrzebski, K. Zberecki, D.J. Jastrzebski, W. Paszkowicz, S. Podsiadlo, J. Solid State Chem. 290, 121467 (2020) https://doi.org/10.1016/j.jssc.2020.121467.

A. Nagaoka, K. Yoshino, K. Kakimoto, K. Nishioka, J. Cryst. Growth. 555, 125967 (2021) https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2020.125967.

J. Kumar, S. Ingole, J. Alloy. Compd. 865, 158113 (2021) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158113.

L. Qiu, J. Xu, Nanomaterials 9, 1520 (2019) https://doi.org/10.3390/nano9111520.

V.A. Online, K. Timmo, M. Altosaar, M. Pilvet, V. Mikli, M. Grossberg, et al., J. Mater. Chem. A. 7, 24281 (2019) https://doi.org/10.1039/c9ta07768e.

X. Chen, J. Wang, W. Zhou, Z. Chang, D. Kou, Z. Zhou, et al., Mater. Lett. 181, 317 (2016) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.06.037.

X. Hu, S. Pritchett-Montavon, C. Handwerker, R. Agrawal, J. Mater. Res. 4, 3810 (2019) https://doi.org/10.1557/jmr.2019.328.

O. Stroyuk, A. Raevskaya, O. Selyshchev, V. Dzhagan, N. Gaponik, D.R.T. Zahn, et al., Sci. Rep. 8, 13677 (2018) https://doi.org/10.1038/s41598-018-32004-1.

O.A. Kapush, L.I. Trishchuk, V.N. Tomashik, Z.F. Tomashik, S.D. Boruk, J. Inorg. Chem. 58, 1166 (2013) https://doi.org/10.1134/S0036023613100124.

J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

S.J. Clark, M.D. Segall, C.J. Pickard, P.J. Hasnip, M.J. Probert, K.Z. Refson, et al., Z. Krist. 220, 567 (2005) https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075.

H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Phys. Rev. B. 13, 5188 (1976) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.

A.P. Litvinchuk, V.M. Dzhagan, V.O. Yukhymchuk, M.Y. Valakh, I.S. Babichuk, O. V. Parasyuk, et al., Phys. Rev. B. 90, 165201 (2014) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.165201.

M. Dimitrievska, F. Boero, A.P. Litvinchuk, S. Delsante, G. Borzone, A. Perez-Rodriguez, et al., Inorg. Chem. 56, 3467 (2017) https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b03008.

R. Caballero, E. Garcia-Llamas, J.M.M. Merino, M. León, I. Babichuk, V. Dzhagan, et al., Acta Mater. 65 412 (2013) https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.11.010.

M. Guc, S. Schorr, G. Gurieva, M. Guc, M. Dimitrievska, J. Phys. Energy. 2, 012002 (2020) https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab4a25.

G. Gurieva, D.M.M. Többens, M.Y.Y. Valakh, S. Schorr, J. Phys. Chem. Solids. 99, 100 (2016) https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2016.08.017.

C. Rein, S. Engberg, J.W. Andreasen, J. Alloys Compd. 787, 63 (2019) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.02.014.

A. Khare, A.W. Wills, L.M. Ammerman, D.J. Norris, E.S. Aydil, Chem. Commun. 47, 11721 (2011) https://doi.org/10.1039/c1cc14687d.

W.C. Liu, B.L. Guo, X.S. Wu, F.M. Zhang, C.L. Mak, K.H. Wong, J. Mater. Chem. A. 1, 3182 (2013) https://doi.org/10.1039/c3ta00357d.

X. Wang, Z. Sun, C. Shao, D.M. Boye, J. Zhao, Nanotechnology 22, 245605 (2011) https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/24/245605.

B. Flynn, W. Wang, C.H. Chang, G.S. Herman, Phys. Stat. Sol. 209, 2186 (2012) https://doi.org/10.1002/pssa.201127734.

S.P. Kandare, S.S. Dahiwale, S.D. Dhole, M.N. Rao, R. Rao, Mater. Sci. Semicond. Process. 102, 104594 (2019) https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104594.

M.Y. Valakh, V.M. Dzhagan, I.S. Babichuk, X. Fontane, A. Perez-Rodriquez, S. Schorr, JETP Lett. 98, 255 (2013) https://doi.org/10.1134/S0021364013180136.

Y. Zhao, X. Han, B. Xu, W. Li, J. Li, J. Li, et al., IEEE J. Photovoltaics 7, 874 (2017) https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2675993.

Y. Jiang, B. Yao, Y. Li, Z. Ding, H. Luan, J. Jia, et al., Mater. Sci. Semicond. Process. 81, 54 (2018) https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.03.014.

W. Gong, T. Tabata, K. Takei, M. Morihama, T. Maeda, T. Wada, Phys. Stat. Sol. 12, 700 (2015) https://doi.org/10.1002/pssc.201400343.

A. Ibrahim, A. Guchhait, S. Hadke, H.L. Seng, L.H. Wong, ACS Appl. Energy Mater. 3, 10402 (2020) https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01165.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-05-08

Як цитувати

Джаган, В., Капуш, О., Будзуляк, С., Мазур, Н., Гаврилюк, Є., Литвинчук, О., … Валах, М. (2021). Колоїдні нанокристали на основі Cu2ZnSnS4 леговані Ag: синтез та дослідження методом раманівської спектроскопії. Фізика і хімія твердого тіла, 22(2), 260–268. https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.260-268

Номер

Том 22 № 2 (2021)

Розділ

Фізико-математичні науки
Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають