Perspectives for the creation and application of heterophase material CdS-FeS obtained by the Langmuir–Blodgett method

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: Cadmium sulfide (CdS) is one of the most promising materials for photovoltaic devices, but it is increasingly used as part of complex heterostructures and heterophase materials that provide expanded functionality and perspective for use. This article presents the results of studies on the production of semi-magnetic semiconductor material CdS-FeS, conventionally designated CdS:Fe, using the Langmuir–Blodgett technology. The morphology of the surface layers and the photoelectric characteristics of the obtained material are considered in detail in comparison with the original sample. Methods: A nanosized coating of iron arachinate (ArchFe) was prepared on the surface of CdS using the Langmuir–Blodgett method. The parameters of ArchFe monolayers were controlled using compression isotherms. The CdS/ArchFe structure was annealed in air. Energy-dispersive analysis and mass spectrometric studies were carried out to control the current processes before and after annealing. The main methods for studying hybrid structures of CdS/ArchFe and heterophase material CdS:Fe were atomic force microscopy and analysis of photoelectric characteristics using steady-state and kinetic approaches. Results: The resulting material is a matrix of CdxFe1–xS solid solution with nanoinclusions of the FeS phase. Analysis of atomic force microscopy images has confirmed the high reproducibility of the proposed method. We have shown the occurrence of the effect of “negative photofatigue” and an increase in integral photosensitivity by 70 times for a heterophase sample compared to “pure” CdS. Conclusion: It has been shown that the resulting material has unique properties, such as increased photosensitivity and negative photofatigue, which is very perspective for creating devices that can operate in conditions high illumination and whose characteristics can be controlled by illumination.

About the authors

Svetlana Viktorovna Stetsyura

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-4337-012X
SPIN-code: 9896-4219
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Polina G. Kharitonova

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0003-0591-9908
SPIN-code: 3077-0297
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Alexander V. Kozlowski

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

ORCID iD: 0000-0002-3612-9776
SPIN-code: 2852-3608
Политехническая ул. 29, Санкт-Петербург, 195251,

References

  1. Роках А. Г. Сублимированные фотопроводящие пленки типа CdS: история и современность // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2015. Т. 15, вып. 2. С. 53–58. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2015-15-2-53-58
  2. Singh V. P., Singh R. S., Sampson K. E. Chapter 6. ThinFilm Solar Cells Based on Nanostructured CdS, CIS, CdTe and Cu2S // Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion / ed. Tetsuo Soga. Elsevier, 2006. P. 167–190. https://doi.org/10.1016/B978-044452844-5/50007-X
  3. Hao E., Sun H., Zhou Z., Liu J., Yang B., Shen J. Synthesis and Optical Properties of CdSe and CdSe/CdS Nanoparticles // Chemistry of Materials. 1999. Vol. 11, iss. 11. P. 3096–3102. https://doi.org/10.1021/cm990153p
  4. Obaid A. S., Mahdi M. A., Hassan Z. Preparation of chemically deposited thin films of CdS/PbS solar cell // Superlatties and Microstructures. 2012. Vol. 52, iss. 4. P. 816–823. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2012.06.024
  5. Салманов В. М., Гусейнов А. Г., Джафаров М. А., Maмeдов Р. M., Мамедова Т. А. Особенности фотопроводимости и люминесценции тонких пленок CdS и твердых растворов Cd1−xZnxS при лазерном возбуждении // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130, вып. 10. С. 1567–1570. https://doi.org/10.21883/OS.2022.10.53627.2983-22
  6. Маскаева Л. Н., Федорова Е. А., Марков В. Ф. Технология тонких пленок и покрытий : учеб. пособие / под ред. Л. Н. Маскаевой. Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2019. 236 с.
  7. Смирнов Б. М. Металлические наноструктуры: от кластеров к нанокатализу и сенсорам // Успехи физических наук. 2017. Т. 187, № 12. С. 1329–1364. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.02.038073
  8. Nabok A. V., Richardson T., Davis F., Stirling C. J. M. Cadmium sulfide nanoparticles in Langmuir−Blodgett films of calixarenes // Langmuir. 1997. Vol. 13, iss. 12. P. 3198–3201. https://doi.org/10.1021/la962115f
  9. Li L., Lou Z., Shen G. Hierarchical CdS Nanowires Based Rigid and Flexible Photodetectors with Ultrahigh Sensitivity // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7, iss. 42. P. 23507–23514. https://doi.org/10.1021/acsami.5b06070
  10. Hwang I.,Yong K. Novel CdS Hole-Blocking Layer for Photostable Perovskite Solar Cells // ACS Applied Materials & Interfaces. 2016. Vol. 8, iss. 6. P. 4226–4232. https://doi.org/10.1021/acsami.5b12336
  11. Halge D. I., Narwade V. N., Khanzode P. M., Dadge J. W., Banerjee I., Bogle K. A. Enhancement in Visible Light Photoresponse of CdS Thin Films by Nitrocellulose Surface Passivation // ACS Applied Electronic Materials. 2020. Vol. 2, iss. 7. P. 2151–2154. https://doi.org/10.1021/acsaelm.0c00361
  12. Hernadez-Borja J., Vorobiev Y. V., Ramirez-Bon R. Thin films solar cells of CdS/PbS chemically deposited by an ammonia – free process // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. Vol. 95, iss. 7. P. 1882–1888. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.02.012
  13. Стецюра С. В., Харитонова П. Г., Маляр И. В. Полумагнитное пленочное покрытие на основе фоточувствительного полупроводника // Прикладная физика. 2020. № 5. С. 66–72.
  14. Никитин П. И., Савчук А. И. Эффект Фарадея в полумагнитных полупроводниках // Успехи физических наук. 1990. Т. 160, № 11. С. 167–196.
  15. Мельничук С. В., Никитин П. И., Савчук А. И., Трифоненко Д. Н. Эффект Фарадея в полумагнитном полупроводнике Cd1−xFexTe // Физика и техника полупроводников. 1996. Т. 30, вып. 10. С. 1831–1837
  16. Stetsyura S. V., Kharitonova P. G. Magnetic properties of heterophase film coatings based on a solid solution of cadmium sulfide and iron // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2023. Vol. 16, no. 1.2. P. 236–240. https://doi.org/10.18721/JPM.161.236
  17. Ekrami M., Magna G., Emam-Djomeh Z., Saeed Yarmand M., Paolesse R., Di Natale C. Porphyrin-Functionalized Zinc Oxide Nanostructures for Sensor Applications // Sensors. 2018. Vol. 18, iss. 7. Art. 2279. https://doi.org/10.3390/s18072279
  18. Stetsyura S. V., Kharitonova P. G., Glukhovskoy E. G. Langmuir–Blodgett technology to obtain semimagnetic photosensitive materials // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2022. Vol. 15, iss. 3.3. P. 250–254. https://doi.org/10.18721/JPM.153.349
  19. Харитонова П. Г., Глуховской Е. Г., Козловский А. В., Стецюра С. В. Фотоэлектрические характеристики и морфология поверхности сульфида кадмия, модифицированного арахинатом железа // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57, № 7. С. 518–521. https://doi.org/10.61011/FTP.2023.07.56780.4912C
  20. Kanicky J. R., Shah D. O. Effect of degree, type, and position of unsaturation on the pKa of long-chain fatty acids // Journal of Colloid and Interface Science. 2002. Vol. 256, iss. 1. P. 201–207. https://doi.org/10.1006/jcis.2001.8009
  21. Hwan Ha T., Kyu Kim D., Choi M. U., Kim K. Influence of Poly(ethylenimine) on the Monolayer of Oleic Acid at the Air/Water Interface // Journal of Colloid and Interface Science. 2000. Vol. 226, iss. 1. P. 98–104. https://doi.org/10.1006/jcis.2000.6819
  22. Khomutov G. B., Bykov I. V., Gainutdinov R. V., Polyakov S. N., Sergeyev-Cherenkov A. N., Tolstikhina A. L. Synthesis of Ni-containing nanoparticles in Langmuiur–Blodgett films // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2002. Vol. 198–200. P. 559–567. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00961-X
  23. Харитонова П. Г., Сердобинцев А. А., Стецюра С. В. Применение масс-спектрометрических исследований для оптимизации модели биосенсорной структуры с гетерофазным преобразователем сигнала // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2023 : сб. статей Всероссийской школы-семинара / под ред. проф. Ан. В. Скрипаля. Саратов : Изд-во «Саратовский источник», 2023. С. 126–129.
  24. Роках А. Г., Стецюра С. В., Сердобинцев А. А. Гетерофазные полупроводники под действием излучений // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2005. Т. 5, вып. 1. С. 92–102. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2005-5-1-92-102
  25. Шейнкман М. К., Корсунская Н. Е. Фотохимические реакции в полупроводниках типа А2В6 // Физика соединений А2В6 / под ред. А. Н. Георгобиани, М. К. Шейнкмана. М. : Наука, 1986. С. 109–145.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).