電化學沉積氧化亞銅之結構及光電化學性質研究

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1、電化學沉積氧化亞銅之結構及光電化學性質研究南台科技大學光電工程系指導教授:鄭錫恩學生:李岳勳、黃景鴻摘要基於不同的條件可以產生不同的結晶結構，所以藉由控制反應中的溫度、pH值、反應電位、沈積面積、反應時間等因素探討對於氧化亞銅鍍層結構的影響。結果顯示溫度與pH值的升高與變大均會造成結晶顆粒大小變大，結晶性更好。另外在沈積面積與反應時間方面，隨著不同的面積大小與時間長短，表面的鍍層結構也會隨之產生變化。氧化亞銅自組裝性質近來有許多文獻進行討論。本研究是藉由電化學沈積法在固定電壓下控制反應的時間而得到氧化亞銅結晶結構。且可從SEM圖及XR

2、D圖上可以看出，在表面的成長方向開始改變時，可產生了許多緞帶狀結構的沈積，當反應pH值提升時，由(200)織構之氧化亞銅薄膜之晶粒型態，轉為(111)織構之薄膜型態。當有效控制薄膜厚度，在相同膜厚對應不同pH值情況下，進行光電化學分析，可看出pH值的提升對光電流有極大的提升。實驗流程規劃試片製備先將長2公分寬1.5公分的ITO玻璃利用丙酮(Acetone)、甲醇(Methanol)、DIWater超音波震盪各5分鐘，放置在壓克力基板上，準備長約7公分的銅膠帶，黏於試片前端0.5公分處，再利用熱溶膠將其封裝好，只留下剩下長1.5公分寬1

3、.5公分的部分來進行電化學沉積。鍍液製備電化學沉積氧化亞銅其電鍍液為85%的乳酸(Lacticacid)165ml，90g的硫酸銅(CuSO4H2O)，90g的氫氧化鈉(NaOH)以及450ml的DIWater。首先利用微量天秤(H2O滲透量測儀)來量測90g的硫酸銅，再倒入165ml的乳酸並放置再旋轉台上攪拌。準備另一杯450ml的DIWater，將90g的氫氧化鈉倒入其中，攪拌至完全溶解無沉澱物後，再將其緩慢加入到硫酸銅溶液中，均勻的混合。電化學沉積氧化亞銅將封好的ITO試片為工作電極，白金(Pt)薄片為相對電極，以及Ag/AgC

4、l為參考電極(SaturatedKCl，200mVvs.SHEat25℃)，利用恆電位儀(Potentiostat)來進行電化學沉積如圖1，電鍍參數如表一。製程電壓(V)-0.3vpH值調配pH9,10,11攪拌速度(rpm)500rpm製程溫度(℃)55℃相同電鍍時間1200s相同鍍膜厚度1.5~1.7um表一圖1結構與表面型態分析本研究採用了X-ray繞射儀以4°/min的速度由20°掃瞄至80°及X-ray光電子能譜儀，以鋁靶作為X-ray光源(1486.6eV)。而為了觀察其表面型態，則使用了SEM。光電化學分析光電化學行為分

5、析是利用恆電位儀以三極式系統進行如圖2，分別以氧化亞銅(Cu2O)觸媒薄膜為工作電極，白金薄片為相對電極，Ag/AgCl為參考電極；電解液為0.1M的KOH水溶液。光照光源為Oriel300-W氙燈(Xelamp)，通過UV-cutofffilter(Oriel59480)將紫外線濾除(<425nm)，照光之線性掃瞄實驗，對p-type氧化亞銅(Cu2O)而言，掃瞄的電位範圍為-0.2～-1V。樣本(Cu2O)6cm0.1MKOH燈源圖2結果與討論鍍液pH值對光吸收率之影響這種因素是控制薄膜成長速率與晶向最主要的因素，如圖3的光吸收圖

6、可以很明顯的看出隨著時pH值增加對薄膜吸收光的影響，在吸收率中可看出在相同膜厚pH11吸收率較pH10來的高。圖3光吸收圖，黑色pH9紅色pH10藍色pH11，膜厚在控制(1.5um～1.7um)。鍍液pH值對氧化亞銅鍍層結構之影響控制鍍液pH值來得到不同的結晶結構為電化學沉積法的特點之ㄧ。分別做出pH9、pH10、pH11，由圖4可以看出當pH值改變時，可得知藉由控制膜厚相同(1.5~1.7um)改變pH值所得之XRD圖可看出隨著pH值的增加其強度有著明顯的增加且在pH11時，表面顆粒的成長方向開始改變由(200)轉向(111)的方

7、向，在SEM圖中可看出隨著pH值的增加，薄膜的顆粒明顯變大且較為立體。(a)(b)(c)圖4電化學沉積氧化亞銅相同(1.5~1.7um)膜厚不同pH值之XRD與SEM圖，(a)pH9(b)pH10(c)pH11。電化學沉積氧化亞銅光電化學之探討薄膜厚度相同對應不同pH值(9,10,11)的薄膜，照射可見光(去UV光)，在電解液中產生之電流。如圖5可看出其光電流隨pH值的增加其光電流有著極大的提升，其中Cu2O所產生之光電流為負電流。(a)(b)(c)圖5電化學沉積氧化亞銅，沉積時間相同對應不同pH值之光電流，(a)pH9(b)pH10

8、(c)pH11。結論藉由電化學沈積法可以在不同條件下獲得不同結晶結構的氧化亞銅。pH值對於結晶結構的影響極為明顯，除了顆粒大小之變化外，pH值只需變化1的大小即會產生表面結構的改變。由吸收圖可看出在相同膜厚下pH值的提高