Tenkovrstvé materiály na bázi Cu-O připravované pomocí HiPIMS pro rozklad vody

Bc. Jan VOSEJPKA

Master's thesis

Copper-oxide-based thin-film materials prepared by HiPIMS for water-splitting application

Abstract:

Tato práce se zabývá přípravou tenkých vrstev materiálu Cu2O pomocí vysokovýkonového pulsního magnetronového naprašování (HiPIMS) pro fotokatalytické aplikace s důrazem na fotoelektrochemický rozklad vody. Nejprve jsou diskutovány rozdíly mezi HiPIMS a stejnosměrným magnetronovým naprašováním (DCMS). Uvedené jsou změny struktury a textury vrstvy připravované za různých parciálních tlaků kyslíku O2, teplot substrátu a nebo způsobené žíháním. V případě hodnoty O2 = 0,30 Pa vznikal během procesu HiPIMS cílený jednofázový materiál Cu2O. Při těchto podmínkách byl materiál připraven na substrát bez dodatečného ohřevu, ale i na substrát vyhřívaný během depozice na 400 C. Na takto vyhřátém křemíkovém substrátu navíc roste nanostrukturovaná vrstva. Zakázaný pás Cu2O připraveného pomocí HiPIMS je přibližně 2,5 eV. Dále je v práci diskutována příprava vrstev Cu2O na elektrody s vodivou vrstvou FTO a vliv O2, teploty substrátu, tloušťky vrstvy a teploty žíhání na fotoelektrochemické vlastnosti vrstev. Míru fotoaktivity nejvíce ovlivňuje teplota žíhání, která má velký vliv na krystalinitu vrstvy, která zase příhodně ovlivňuje fotoelektrochemické charakteristiky vrstvy. Krystalinitu ovlivňuje i teplota substrátu během depozice. Z pohledu fotoelektrochemických vlastností je výhodný vyšší obsah kyslíku ve vrstvě, než odpovídá jednofázovému Cu2O a tloušťka vrstvy přibližně 200 nm. Vrstva s největší fotoaktivitou měla fotoproud 0,36 mA/cm2 na potenciálu 0,13 V vs. RHE.

Abstract:

This work focuses on the preparation of Cu2O thin film materials using high power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) for photocatalytic applications with emphasis on photoelectrochemical water decomposition. First, the differences between HiPIMS and direct current magnetron sputtering (DCMS) are discussed. Presented are the changes in the structure and texture of the layer prepared under different oxygen partial pressures 2 and or substrate temperatures and or due to annealing. In the case of O2 = 0.30 Pa, a targeted single-phase Cu2O material was formed during the HiPIMS process. Under these conditions, the material was prepared on a substrate without additional heating, but also on a substrate heated to 400 C during deposition. In addition, a nanostructured layer grows on the thus heated silicon substrate. The bandgap of Cu2O prepared by HiPIMS is approximately 2.5 eV Furthermore, the preparation of Cu2O layers on electrodes with conductive FTO layer and the effect of O2, substrate temperature, layer thickness and annealing temperature on the photoelectrochemical properties of the layers are discussed. The degree of photoactivity is mostly influenced by the annealing temperature, which has a large effect on the crystallinity of the layer, which in turn has a favorable effect on the photoelectrochemical characteristics of the layer. The crystallinity is also affected by the temperature of the substrate during deposition. From the point of view of photoelectrochemical properties, a higher oxygen content in the layer than that corresponding to single-phase Cu2O and a layer thickness of approximately 200 nm are advantageous. The layer with the highest photoactivity had a photocurrent of 0.36 mA/cm2 at a potential of 0.13 V vs. RHE.

Keywords

oxidy mědi, Cu2O, magnetronové naprašování, HiPIMS, fotokatalytický rozklad vody

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Jiří Čapek, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Applied Physics and Physical Engineering / Aplikovaná fyzika a fyzikální inženýrství