रासायनिक ऊष्म निक्षेपण
केमिकल बाथ डिपोजिशन, जिसे केमिकल सॉल्यूशन डिपोजिशन भी कहा जाता है[1] और सीबीडी, एक जलीय अग्रदूत समाधान का उपयोग करके पतली-फिल्म जमाव (एक समाधान या गैस से बनने वाले ठोस) की एक विधि है।[1]रासायनिक स्नान जमाव आमतौर पर विषम केंद्रक (जमाव (चरण संक्रमण) या एक ठोस सब्सट्रेट (सामग्री विज्ञान) पर जलीय आयनों के सोखना) का उपयोग करके फिल्में बनाता है।[2] धातु चा सह भाई तुम्हारा (ज्यादातर ऑक्साइड, सल्फाइड, और सेलेनाइड | सेलेनाइड्स) की सजातीय पतली फिल्म बनाने के लिए[1]और कई कम सामान्य आयनिक यौगिक।[1][3] केमिकल बाथ डिपोजिशन कम तापमान (<100˚C), और कम लागत पर, कम बुनियादी ढांचे के साथ एक सरल प्रक्रिया का उपयोग करके मज़बूती से फिल्मों का निर्माण करता है।[1]इसके अलावा, रासायनिक स्नान जमाव को बड़े क्षेत्र के बैच प्रसंस्करण या निरंतर जमाव के लिए नियोजित किया जा सकता है। सीबीडी द्वारा निर्मित फिल्मों का उपयोग अक्सर सेमीकंडक्टर, फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और supercapacitor में किया जाता है, और नैनो सामग्री बनाने के लिए केमिकल बाथ डिपोजिशन का उपयोग करने में रुचि बढ़ रही है।[1][4]
उपयोग
रासायनिक स्नान जमाव औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोगी है क्योंकि यह पतली-फिल्म जमाव के अन्य तरीकों की तुलना में बेहद सस्ता, सरल और विश्वसनीय है, जिसके लिए (अपेक्षाकृत) कम तापमान और न्यूनतम बुनियादी ढांचे पर केवल जलीय घोल की आवश्यकता होती है।[1]रासायनिक स्नान जमाव प्रक्रिया को बड़े क्षेत्र के बैच प्रसंस्करण या निरंतर जमाव तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है।
रासायनिक स्नान जमाव छोटे क्रिस्टल बनाता है, जो अर्धचालकों के लिए पतली-फिल्म जमाव के अन्य तरीकों द्वारा बनाए गए बड़े क्रिस्टल की तुलना में कम उपयोगी होते हैं लेकिन नैनो सामग्री के लिए अधिक उपयोगी होते हैं। हालांकि, केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा बनाई गई फिल्मों में अक्सर अन्य तरीकों से बनने वाले समान पदार्थ की फिल्मों की तुलना में बेहतर फोटोवोल्टिक गुण (बैंड इलेक्ट्रॉन गैप) होते हैं।[1]
ऐतिहासिक उपयोग
रासायनिक स्नान निक्षेपण का एक लंबा इतिहास रहा है लेकिन हाल तक यह पतली-फिल्म निक्षेपण की एक असामान्य विधि थी।[1] 1865 में, जस्टस वॉन लिबिग ने एक लेख प्रकाशित किया जिसमें सिल्वरिंग के लिए केमिकल बाथ डिपोजिशन के उपयोग का वर्णन किया गया था (एक दर्पण बनाने के लिए कांच के पीछे चांदी की एक परावर्तक परत चिपकाने के लिए),[5] हालांकि आधुनिक समय में विद्युत लेपन और निर्वात निक्षेपण अधिक सामान्य हैं।
WWII के आसपास, लेड सल्फाइड (PbS) और लेड सेलेनाइड (PbSe) CBD फिल्मों का उपयोग इन्फ्रारेड डिटेक्टरों में किया जाता है।[1]केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा बनने पर ये फिल्में फोटोकंडक्टिव होती हैं।[1]
सेमीकंडक्टर्स में भी इस्तेमाल होने वाली पतली फिल्मों को बनाने में केमिकल बाथ डिपोजिशन का एक लंबा इतिहास रहा है। हालाँकि जमा क्रिस्टल का छोटा आकार अर्धचालकों के लिए आदर्श नहीं है और आधुनिक समय में अर्धचालकों के निर्माण के लिए रासायनिक स्नान जमाव का उपयोग शायद ही कभी किया जाता है।[1]
फोटोवोल्टिक्स
फोटोवोल्टिक सेल केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा जमा की गई फिल्मों का सबसे आम उपयोग है क्योंकि कई फिल्मों में अन्य तरीकों से जमा होने की तुलना में सीबीडी के माध्यम से जमा होने पर बेहतर फोटोवोल्टिक गुण होते हैं।[1]ऐसा इसलिए है क्योंकि केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा बनाई गई पतली फिल्में अन्य तरीकों से बनने वाली पतली फिल्मों की तुलना में अधिक आकार की मात्रा का प्रदर्शन करती हैं, और इसलिए छोटे क्रिस्टल और अधिक ऑप्टिकल बैंड गैप होता है।[1]इन बेहतर फोटोवोल्टिक गुणों के कारण कैडमियम सल्फाइड (सीडीएस), फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में एक पतली फिल्म है, जो सीबीडी द्वारा सबसे अधिक जमा किया जाने वाला पदार्थ है और पदार्थ की सीबीडी शोध पत्रों में सबसे अधिक जांच की जाती है।[1][2]
फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में बफर परतों को जमा करने के लिए रासायनिक स्नान जमाव का भी उपयोग किया जाता है क्योंकि सीबीडी सब्सट्रेट को नुकसान नहीं पहुंचाता है।
प्रकाशिकी
रासायनिक स्नान जमाव फिल्मों को कुछ तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने और वांछित के रूप में दूसरों को प्रतिबिंबित या प्रसारित करने के लिए बनाया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा बनाई गई फिल्मों में एक ऊर्जा अंतराल होता है जिसे ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। इस चयनात्मक संचरण का उपयोग परावर्तक - विरोधी लेप | एंटी-रिफ्लेक्टिव और एंटी-डैज़लिंग कोटिंग्स, सौर तापीय अनुप्रयोगों, ऑप्टिकल फिल्टर, polarizer , कुल रिफ्लेक्टर आदि के लिए किया जा सकता है।[1]केमिकल बाथ डिपोजिशन द्वारा जमा की गई फिल्मों में एंटी-रिफ्लेक्शन, एंटी-डैजलिंग, थर्मल कंट्रोल विडो कोटिंग्स, ऑप्टिकल फिल्टर, टोटल रिफ्लेक्टर, पोल्ट्री प्रोटेक्शन और वार्मिंग कोटिंग्स, प्रकाश उत्सर्जक डायोड , सौर सेल फैब्रिकेशन और वैरिस्टर में संभावित अनुप्रयोग हैं।[citation needed]
नैनो सामग्री
केमिकल बाथ डिपोजिशन या इलेक्ट्रोलेस डिपोजिशन में नैनोमैटेरियल्स के क्षेत्र में शानदार अनुप्रयोग हैं,[1]क्योंकि छोटा क्रिस्टल आकार नैनोमीटर पैमाने पर गठन को सक्षम बनाता है, क्योंकि रासायनिक स्नान जमाव फिल्मों के गुणों और नैनोस्ट्रक्चर को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, और क्योंकि रासायनिक स्नान जमाव द्वारा जमा की गई फिल्मों की एक समान मोटाई, संरचना और ज्यामिति फिल्म को बनाए रखने की अनुमति देती है। सब्सट्रेट की संरचना।[1]नैनोमीटर पैमाने पर भी रासायनिक स्नान जमाव की कम लागत और उच्च विश्वसनीयता किसी भी अन्य पतली-फिल्म जमाव तकनीक के विपरीत है। रासायनिक स्नान जमाव का उपयोग पॉलीक्रिस्टलाइन और एपिटाक्सी फिल्मों, झरझरा नेटवर्क, के nanorod- , सुपरलैटिस और कंपोजिट के उत्पादन के लिए किया जा सकता है।[4]
प्रक्रिया
रासायनिक स्नान जमाव एक समाधान बनाने पर निर्भर करता है जैसे कि निक्षेपण (चरण संक्रमण) (एक जलीय से ठोस पदार्थ में परिवर्तन) केवल नीचे की विधि का उपयोग करके सब्सट्रेट पर होगा:
- धातु के लवण और (आमतौर पर) चॉकोजेनाइड अग्रदूतों को पानी में मिलाया जाता है ताकि धातु के आयनों और चॉकोजेनाइड आयनों से युक्त एक जलीय घोल बनाया जा सके जो जमा होने वाले यौगिक का निर्माण करेगा।
- तापमान, पीएच, और नमक की एकाग्रता को तब तक समायोजित किया जाता है जब तक कि समाधान मेटास्टेबल अतिसंतृप्ति में न हो,[2]यह तब तक है जब तक आयन जमा करने के लिए तैयार नहीं होते हैं, लेकिन न्यूक्लिएशन (ठोस क्रिस्टल बनाने और घोल से बाहर निकलने) के लिए थर्मोडायनामिक बाधा को दूर नहीं कर सकते हैं।[1]* एक सब्सट्रेट पेश किया जाता है, जो न्यूक्लिएशन के उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, और पूर्ववर्ती आयन नीचे वर्णित दो विधियों में से एक द्वारा एक पतली क्रिस्टलीय फिल्म बनाने वाले सब्सट्रेट पर पालन करते हैं।
अर्थात्, समाधान एक ऐसी अवस्था में है जहाँ अग्रदूत आयन या कोलाइडल कण 'चिपचिपा' होते हैं, लेकिन एक दूसरे से 'चिपक' नहीं सकते। जब सब्सट्रेट पेश किया जाता है, तो अग्रदूत आयन या कण उससे चिपक जाते हैं और जलीय आयन ठोस आयनों से चिपक जाते हैं, जिससे एक ठोस यौगिक बनता है - क्रिस्टलीय फिल्म बनाने के लिए जमा होता है।
फिल्म का पीएच, तापमान और संरचना क्रिस्टल के आकार को प्रभावित करती है, और इसका उपयोग फिल्म के निर्माण की दर और संरचना को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। क्रिस्टल के आकार को प्रभावित करने वाले अन्य कारकों में आंदोलन, रोशनी और उस फिल्म की मोटाई शामिल है जिस पर क्रिस्टल जमा होता है।[1]विलयन को उत्तेजित करने से निलंबित कोलाइडल क्रिस्टल के जमाव को रोकता है,[6] उच्च बैंड गैप ऊर्जा के साथ एक चिकनी और अधिक समरूप फिल्म बनाना। आंदोलन गठन की गति और तापमान को प्रभावित करता है जिस पर गठन होता है, और जमा किए गए क्रिस्टल की संरचना को बदल सकता है।[6]
अधिकांश अन्य निक्षेपण प्रक्रियाओं के विपरीत, रासायनिक स्नान निक्षेपण अनियमित (प्रतिरूपित या आकार) सबस्ट्रेट्स पर भी समान मोटाई, संरचना, और ज्यामिति (पार्श्व समरूपता) की एक फिल्म बनाने के लिए जाता है क्योंकि यह निक्षेपण के अन्य तरीकों के विपरीत, सतह रसायन द्वारा नियंत्रित होता है। आयन सब्सट्रेट की सभी उजागर सतहों का पालन करते हैं और क्रिस्टल उन आयनों से बढ़ते हैं। [2][7]
आयन-द्वारा-आयन तंत्र
आयन-दर-आयन जमाव में, जलीय अग्रदूत आयन पतली फिल्म बनाने के लिए सीधे प्रतिक्रिया करते हैं।
स्थितियों को इस तरह नियंत्रित किया जाता है कि कुछ हाइड्रॉक्साइड आयन जमाव (सब्सट्रेट पर नहीं) या अघुलनशील धातु हाइड्रॉक्साइड की वर्षा को रोकने के लिए बनते हैं। कभी-कभी धातु हाइड्रॉक्साइड के गठन को रोकने के लिए एक जटिल एजेंट का उपयोग किया जाता है।[1]मेटल सॉल्ट और चेलकोजेनाइड सॉल्ट असंबद्ध होकर प्रीकर्सर मेटल केशन और चेलकोजेनाइड आयन बनाते हैं, जो वैन डेर वाल्स बल द्वारा सब्सट्रेट की ओर आकर्षित होते हैं और उनका पालन करते हैं।[8] आयन सब्सट्रेट का पालन करते हैं, और जलीय आयन बढ़ते क्रिस्टल से जुड़ते हैं, जिससे बड़े क्रिस्टल बनते हैं। इस प्रकार, जमाव की इस विधि के परिणामस्वरूप हाइड्रॉक्साइड-क्लस्टर तंत्र की तुलना में बड़े और कम समान क्रिस्टल होते हैं।[1]
प्रतिक्रिया का एक उदाहरण, कैडमियम सल्फाइड जमा करना, नीचे दिखाया गया है:
हाइड्रोक्साइड-क्लस्टर तंत्र
हाइड्रॉक्साइड-क्लस्टर जमाव तब होता है जब हाइड्रॉक्साइड आयन घोल में मौजूद होते हैं और आमतौर पर आयन-दर-आयन जमाव की तुलना में छोटे और अधिक समान स्फटिक होते हैं।
जब हाइड्रॉक्साइड आयन मात्रा में घोल में मौजूद होते हैं, तो धातु हाइड्रॉक्साइड आयन बनते हैं। हाइड्रॉक्साइड आयन धातु के पिंजरों के लिए लिगेंड के रूप में कार्य करते हैं, अघुलनशील कोलाइड क्लस्टर बनाते हैं जो दोनों पूरे समाधान में फैल जाते हैं और सब्सट्रेट पर जमा हो जाते हैं। ये क्लस्टर वैन डेर वाल्स बलों द्वारा सब्सट्रेट की ओर आकर्षित होते हैं। चॉकोजेनाइड आयन धातु के हाइड्रॉक्साइड समूहों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, दोनों फैल गए और जमा हो गए, धातु चाकोजेनाइड क्रिस्टल बनाने के लिए। ये क्रिस्टल पतली फिल्म बनाते हैं, जिसकी संरचना क्रिस्टलीय के समान होती है। संक्षेप में, हाइड्रॉक्साइड आयन धातु आयनों और चाकोजेनाइड आयनों के बीच मध्यस्थ के रूप में कार्य करते हैं। क्योंकि प्रत्येक हाइड्रॉक्साइड क्लस्टर एक न्यूक्लिएशन साइट है, यह जमाव विधि आमतौर पर आयन-दर-आयन जमाव की तुलना में छोटे और अधिक समान क्रिस्टल में परिणत होती है।[7][8]
कैडमियम सल्फाइड जमा करने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया का एक उदाहरण नीचे दिखाया गया है:
(कैडमियम हाइड्रॉक्साइड क्लस्टर का गठन)
(प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया)[8]
सब्सट्रेट
पतली-फिल्म जमाव के अन्य तरीकों के विपरीत, किसी भी सब्सट्रेट जो जलीय घोल में रासायनिक रूप से स्थिर है, सैद्धांतिक रूप से रासायनिक स्नान जमाव में उपयोग किया जा सकता है।[1]फिल्म के वांछित गुण आमतौर पर सब्सट्रेट की पसंद तय करते हैं; उदाहरण के लिए, जब प्रकाश पारदर्शिता वांछित होती है तो विभिन्न प्रकार के कांच का उपयोग किया जाता है, और फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों में आमतौर पर प्रयोग किया जाता है। पतली फिल्मों के गठन और संरचना को निर्देशित करने के लिए सबस्ट्रेट्स को मोनोलयर्स के साथ भी प्रतिरूपित किया जा सकता है।[1]सबस्ट्रेट्स जैसे कार्बोनाइज्ड मेलामाइन फोम (सीएफएम)[citation needed] और ऐक्रेलिक एसिड (AA) हाइड्रोजेल[9] कुछ विशेष अनुप्रयोगों के लिए भी उपयोग किया गया है। श्रेणी: पतली फिल्म बयान
संदर्भ
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