Přejít k obsahu


Structure optimization of Ta–O–N films prepared by reactive HiPIMS for more effective water splitting

Citace:
BATKOVÁ, Š., ČAPEK, J., HOUŠKA, J., HAVIAR, S., ČERSTVÝ, R., DUCHOŇ, T., KRBAL, T. Structure optimization of Ta–O–N films prepared by reactive HiPIMS for more effective water splitting. Olomouc, 2018.
Druh: PŘEDNÁŠKA, POSTER
Jazyk publikace: eng
Anglický název: Structure optimization of Ta–O–N films prepared by reactive HiPIMS for more effective water splitting
Rok vydání: 2018
Autoři: Ing. Šárka Batková , Ing. Jiří Čapek Ph.D. , Doc. Ing. Jiří Houška Ph.D. , RNDr. Stanislav Haviar Ph.D. , Ing. Radomír Čerstvý , Tomáš Duchoň , Tomáš Krbal
Abstrakt CZ: Materiál TaON je slibný jako fotokatalyzátor rozkládající vodu na H2 a O2 po ozáření viditelným světlem. Rozkladu se zde účastní vygenerované páry elektron-díra. Aby materiál takto fungoval, musí splňovat jisté podmínky: (1) správně široký zakázaný pás, (2) správně zarovnaný zakázaný pás vůči redoxním potenciálům rozkladu vody a (3) strukturu zajišťující efektivní transport elektronů a děr. K přípravě vrstev v této práci jsme použili reaktivní HiPIMS (vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování) s reaktivními plyny přiváděnými do oblasti hustého plazmatu před terčem. To nám umožnilo efektivně kontrolovat složení vrstev a tedy i jejich vlastnosti. Byli jsme schopni naladit zakázaný pás na absorpci viditelného světla za současného zachování jeho zarovnání. Následně jsme se soustředili na strukturu vrstev. Vrstvy byly tedy buď připraveny za zvýšené teploty (600 °C) nebo vyžíhány ve vakuové peci (900 °C) po depozici. Výsledky z rentgenové difrakce naznačují, že ve vrstvách připravených za zvýšené teploty je směs oxidových a/nebo nitridových fází, zatímco vyžíhané vrstvy připravené za optimálních podmínek vykazují čistou oxynitridovou fázi. Rezistivita, která vypovídá o transportu elektronů, po žíhání výrazně klesla. Dostali jsme tedy tenkovrstvý materiál se správně širokým (~ 2,6 eV, viditelné světlo) a zarovnaným zakázaným pásem a zlepšenou elektronovou pohyblivostí. První výsledky z fotoelektrochemického měření naznačují slibnou fotoaktivitu.
Abstrakt EN: The TaON material is a promising candidate for application as a visible-light-driven photocatalyst splitting water into H2 and O2 and thus converting solar energy into chemical energy. The photogenerated electron-hole pairs act here as the active water splitting species. In order to work as an effective water splitting photocatalyst, the material must satisfy certain conditions: (1) band gap of proper width (preferably corresponding to visible light absorption), (2) suitable alignment of the band gap with respect to the water splitting redox potentials and (3) structure allowing effective charge carrier transport through the material. To prepare the Ta–O–N films in this work, we used reactive HiPIMS with the reactive gases being introduced to a high-density plasma in front of the target. This approach made it possible to efficiently control the elemental composition and thus properties of the films by changing the nitrogen fraction in the reactive gas flow. We were able to tune the optical band gap for visible light absorption at preserved proper alignment. Subsequently, we focused on the film structure. For this purpose, the Ta–O–N films were either prepared at an elevated substrate temperature (up to 600 °C – limit of the substrate heater) or annealed in a vacuum furnace (up to 900 °C) after deposition. The carried out X-ray diffraction analyses indicate that the films prepared at the elevated temperatures consist of a mixture of oxides and/or nitrides, while after annealing, Ta–O–N films prepared at an optimum oxygen to nitrogen ratio exhibited a pure TaON phase. The change in electron transport was investigated by measuring electrical resistivity, which decreased considerably after annealing. As a result, we obtained a thin-film material with a properly aligned band gap of ~2.6 eV (corresponding to visible light absorption) and enhanced electron mobility. Preliminary photoelectrochemical measurements indicate promising photo-induced activity of this material.
Klíčová slova

Zpět

Patička