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JP2015059049A - Semiconductor material, photo-electrode material, photocatalyst material, and method of producing semiconductor material - Google Patents

Semiconductor material, photo-electrode material, photocatalyst material, and method of producing semiconductor material Download PDF

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JP2015059049A
JP2015059049A JP2013191529A JP2013191529A JP2015059049A JP 2015059049 A JP2015059049 A JP 2015059049A JP 2013191529 A JP2013191529 A JP 2013191529A JP 2013191529 A JP2013191529 A JP 2013191529A JP 2015059049 A JP2015059049 A JP 2015059049A
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JP
Japan
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cafe
doping
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doped
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JP2013191529A
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Japanese (ja)
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佳太 関澤
Keita Sekizawa
佳太 関澤
森川 健志
Kenji Morikawa
健志 森川
健男 荒井
Takeo Arai
健男 荒井
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

【課題】光電流応答を改善された材料を得る。
【解決手段】ABで表される組成を有する結晶中に遷移金属元素Mをドープした半導体材料に関する。前記Mのドープは、AまたはBのサイトの一部をMで置換すること、AB結晶中の格子間にMをドーピングすること、またはABの結晶粒界にMをドープすることのいずれかまたはこれらの組み合わせで行われる。結晶系がカルシウムフェライト型、またはスピネル構造である。
【選択図】図1
A material with improved photocurrent response is obtained.
The present invention relates to a semiconductor material in which a transition metal element M is doped in a crystal having a composition represented by AB 2 O 4 . The doping of M is performed by substituting a part of the A or B site with M, doping M between lattices in the AB 2 O 4 crystal, or doping the crystal grain boundary of AB 2 O 4 with M. Done either in one or a combination of these. The crystal system is a calcium ferrite type or a spinel structure.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、AB組成の結晶を有する材料およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a material having a crystal having an AB 2 O 4 composition and a method for producing the material.

光触媒や、太陽電池などにおいては、伝導帯下端電位ができるだけ卑側にあるp型半導体を利用したいという要求がある。   In photocatalysts, solar cells, and the like, there is a demand to use a p-type semiconductor having a conduction band lower end potential as close to the base as possible.

CaFeは、資源量が豊富で安価な元素から構成されたp型特性を示す半導体として知られているが、電気伝導度が低いため、光触媒や電池としての光応答性や、光触媒活性が低い。 CaFe 2 O 4 is known as a semiconductor exhibiting p-type characteristics composed of inexpensive elements with abundant resources, but because of its low electrical conductivity, photoresponsiveness and photocatalytic activity as a photocatalyst or battery Is low.

電気伝導度を改善するための手段として、他元素をドープすることが考えられる。非特許文献1では、NaおよびMgをドープしたCaFe光電極によるp型特性の改善について開示している。この光電極は、Ca、Fe、およびMgを含む窒化物を酸素雰囲気下1000℃で熱分解することで作製されたものである。水溶液中における光電気化学測定の結果、0V(vsRHE(可逆水素電極))よりも卑な電位位置(負電位)から、未ドープのCaFeに比べて光電流が増加している。しかし、この光応答特性は、0Vより貴な電位位置(正電位)では正電流が、また負電位では負電流が流れるものであり、p型あるいはn型半導体的な挙動になっていない。すなわち、相当量の漏れ電流が重畳しただけの特性で有り、半導体としての特性は非常に小さいと考えられる。 As a means for improving electric conductivity, doping with other elements can be considered. Non-Patent Document 1 discloses improvement of p-type characteristics using a CaFe 2 O 4 photoelectrode doped with Na and Mg. This photoelectrode is produced by pyrolyzing a nitride containing Ca, Fe, and Mg at 1000 ° C. in an oxygen atmosphere. As a result of the photoelectrochemical measurement in the aqueous solution, the photocurrent increased from the potential position (negative potential) lower than 0 V (vs RHE (reversible hydrogen electrode)) compared to undoped CaFe 2 O 4 . However, in this photoresponse characteristic, a positive current flows at a potential position (positive potential) nobler than 0 V, and a negative current flows at a negative potential, and the behavior is not p-type or n-type semiconductor. In other words, it is a characteristic in which a considerable amount of leakage current is superimposed, and the characteristic as a semiconductor is considered to be very small.

Matsumoto, Y.; Sugiyama, K.; Sato, E. I., “IMPROVEMENT OF CaFe2O4PHOTOCATHODE BY DOPING WITH Na AND Mg” Journal of Solid State Chemistry 1988, 74, 117Matsumoto, Y .; Sugiyama, K .; Sato, E. I., “IMPROVEMENT OF CaFe2O4PHOTOCATHODE BY DOPING WITH Na AND Mg” Journal of Solid State Chemistry 1988, 74, 117

上述のように、非特許文献1の材料における光応答特性は十分なものではなく、特にp型半導体としての特性とはいえない。さらに、材料を合成するために、1200℃という高温の処理が必要であり、他の材料と組み合わせた状態で合成することが困難な場合が多い。   As described above, the optical response characteristic of the material of Non-Patent Document 1 is not sufficient, and it cannot be said that the characteristic is particularly a p-type semiconductor. Furthermore, in order to synthesize the material, a high temperature treatment of 1200 ° C. is necessary, and it is often difficult to synthesize the material in combination with other materials.

本発明に係る半導体材料は、ABで表される組成を有する結晶中に遷移金属元素Mをドープした半導体材料であって、前記Mのドープは、AまたはBのサイトの一部をMで置換すること、AB結晶中の格子間にMをドーピングすること、またはABの結晶粒界にMをドープすることのいずれかまたはこれらの組み合わせで行われ、結晶系がカルシウムフェライト型、またはスピネル構造である。 The semiconductor material according to the present invention is a semiconductor material in which a transition metal element M is doped in a crystal having a composition represented by AB 2 O 4 , and the doping of M includes a part of the A or B site. Substitution with M, doping M between lattices in the AB 2 O 4 crystal, or doping M into the grain boundary of AB 2 O 4 , or a combination thereof, and the crystal system Is a calcium ferrite type or a spinel structure.

また、一実施形態に係る半導体材料は、前記AとしてCa,Sr,Cu,Mg,Ba,Znの中の少なくとも1つを含み、BとしてFe,Biの中の少なくとも1つを含む。   In one embodiment, the semiconductor material includes at least one of Ca, Sr, Cu, Mg, Ba, and Zn as A and at least one of Fe and Bi as B.

また、一実施形態に係る半導体材料は、前記遷移金属元素Mとして、Ag,Cu,Auの中の少なくとも1つを含む。   Further, the semiconductor material according to an embodiment includes at least one of Ag, Cu, and Au as the transition metal element M.

また、一実施形態に係る半導体材料は、X線光電子分光によって観測される表面組成のM/B比xが0<x<2.6である。   In the semiconductor material according to one embodiment, the M / B ratio x of the surface composition observed by X-ray photoelectron spectroscopy is 0 <x <2.6.

また、一実施形態に係る半導体材料は、結晶系がカルシウムフェライト型構造である。   In addition, the semiconductor material according to one embodiment has a calcium ferrite type crystal system.

また、一実施形態に係る半導体材料は、Mをドープしたことによって、未ドープのものより可視光の吸光度が増大している。   Moreover, the semiconductor material which concerns on one Embodiment has increased the light absorbency of visible light compared with the undoped thing by doping M.

また、一実施形態に係る光電極材料は、上述した半導体材料を用いる光電極材料であって、Ag/AgCl電極基準で、0.0Vの外部電位の下で、溶液中で光を照射すると、MをドープしていないCaFe2O4よりも大きな光カソード電流を生じる。   In addition, the photoelectrode material according to an embodiment is a photoelectrode material using the semiconductor material described above, and is irradiated with light in a solution under an external potential of 0.0 V with respect to an Ag / AgCl electrode standard. It produces a larger photocathode current than CaFe 2 O 4 not doped with M.

また、一実施形態に係る光触媒材料は、上述した半導体材料を用いる光触媒材料であって、可視光を照射したときに、水や酸素の還元反応を生起する。   The photocatalytic material according to one embodiment is a photocatalytic material using the semiconductor material described above, and causes a reduction reaction of water or oxygen when irradiated with visible light.

また、一実施形態に係る半導体材料の製造方法は、上述した半導体材料の製造方法であって、RFマグネトロンスパッタリングにより、前記ABのターゲットと、前記Mまたはその酸化物をターゲットとして、同時に電力を投入してスパッタリングを行うことによって、同時成膜するとともに、600℃−700℃の範囲で熱処理して結晶化する。 A method for manufacturing a semiconductor material according to an embodiment is the above-described method for manufacturing a semiconductor material, wherein the target of AB 2 O 4 and the target of M or its oxide are simultaneously formed by RF magnetron sputtering. By performing sputtering by applying electric power, simultaneous film formation and heat treatment in the range of 600 ° C. to 700 ° C. to crystallize.

また、一実施形態に係る半導体材料の製造方法は、上述した半導体材料の製造方法であって、A、BおよびMの酸化物または炭酸塩、硝酸鉛、酢酸塩のいずれかを水中で混合し、減圧して水分を蒸発除去した後、焼成して形成する。   A method for manufacturing a semiconductor material according to an embodiment is the above-described method for manufacturing a semiconductor material, in which any one of oxides, carbonates, lead nitrates, and acetates of A, B, and M is mixed in water. It is formed by calcination after removing moisture by evaporation under reduced pressure.

本発明によれば、p型半導体としての十分な光応答特性を有するABの材料を得ることができる。また、600℃−700℃という比較的低温の処理で材料を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a material of AB 2 O 4 having sufficient photoresponse characteristics as a p-type semiconductor. Further, the material can be obtained by a relatively low temperature treatment of 600 ° C. to 700 ° C.

Agの導入量によるCaFeの酸素還元電流(Current mA)−電位(Potential V)特性の変化を示す図(600℃熱処理)である。Oxygen reduction current CaFe 2 O 4 by introduction of Ag (Current mA) - is a potential diagram showing changes in (Potential V) characteristics (600 ° C. heat treatment). Agの導入量によるCaFeの酸素還元電流(Current mA)−電位(Potential V)特性の変化を示す図(650℃熱処理)である。Oxygen reduction current CaFe 2 O 4 by introduction of Ag (Current mA) - is a potential diagram showing changes in (Potential V) characteristics (650 ° C. heat treatment). Agの導入量によるCaFeのX線回折パターンの変化を示す図(600℃熱処理)である。A diagram (600 ° C. heat treatment) showing a change in X-ray diffraction pattern of CaFe 2 O 4 by introduction of Ag. Agの導入量によるCaFeのX線回折パターンの変化を示す図(650℃熱処理)である。A diagram (650 ° C. heat treatment) showing a change in X-ray diffraction pattern of CaFe 2 O 4 by introduction of Ag. Agの導入の有無によるCaFe光吸収スペクトルおよび単色光の電流変換効率(IPCE)の変化を示す図である。Is a graph showing changes in Ag CaFe 2 O 4 optical absorption spectra and monochromatic light-current conversion efficiency with and without the introduction of (IPCE).

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described herein.

「基本実施形態」
本発明の実施形態に係る半導体材料は、ABで表される組成の結晶系を有する。そして、この組成を有する結晶中に、遷移金属元素Mがドープされている。ここで、この遷移金属元素Mのドープは、Aのサイトの一部をMで置換すること、AB結晶中の格子間にMをドーピングすること、またはABの結晶粒界にMをドープすることのいずれかまたはこれらの組み合わせで行われる。従って、基本となるABの結晶系を維持しつつ、遷移金属元素Mがドープされている。なお、ABで表される組成を揺する結晶系は、カルシウムフェライト型、またはスピネル構造である。
"Basic embodiment"
The semiconductor material according to the embodiment of the present invention has a crystal system having a composition represented by AB 2 O 4 . And the transition metal element M is doped in the crystal | crystallization which has this composition. Here, the transition metal element M is doped by replacing a part of the site of A with M, doping M between lattices in the AB 2 O 4 crystal, or crystal grain boundaries of AB 2 O 4. Or any combination thereof. Therefore, the transition metal element M is doped while maintaining the basic AB 2 O 4 crystal system. Note that the crystal system that fluctuates the composition represented by AB 2 O 4 is a calcium ferrite type or a spinel structure.

高効率な光電極、光触媒および太陽電池デバイスを構築する上で、例えばCO還元電位や水素生成電位よりもできるだけ卑側に伝導帯下端電位が位置し、効率的に表面から外部へ電子を供給できるp型半導体材料の開発が望まれている。 Highly efficient optical electrode, in building a photocatalyst and a solar cell device, for example, CO 2 conduction band potential to a possible base side than the reduction potential and the hydrogen generation potential is located, supply electrons efficiently from the surface to the outside Development of p-type semiconductor materials that can be developed is desired.

例えば、ABの組成を有するカルシウムフェライト材料の1つ、CaFeは、伝導帯下端電位が比較的卑側に位置するp型半導体であるが、その電気伝導度が極めて低く、外部に効率的に電子を供給することができない。一方、本実施形態のMドープABでは、未ドープのものよりも高い電気伝導度を示す。また、遷移金属元素Mのドープにより、可視光領域の吸光度の増大が見られる。 For example, CaFe 2 O 4 , one of calcium ferrite materials having a composition of AB 2 O 4 , is a p-type semiconductor whose conduction band bottom potential is located on the relatively base side, but its electrical conductivity is extremely low, The electrons cannot be efficiently supplied to the outside. On the other hand, the M-doped AB 2 O 4 of this embodiment shows a higher electrical conductivity than the undoped one. In addition, an increase in absorbance in the visible light region is observed due to the doping of the transition metal element M.

従って、本実施形態の半導体材料を光電極または光触媒として応用すれば、対象物質を効率的に還元することができる。また、太陽電池のp型層として用いれば、大きな解放電圧を有し、高い光電変換効率を示すデバイスを構築できる可能性がある。さらに、遷移金属元素Mドープの効果により600℃程度という未ドープよりも比較的低温の熱処理で高い光応答性が見られることから、より低コストで合成することが可能である。   Therefore, if the semiconductor material of this embodiment is applied as a photoelectrode or a photocatalyst, the target substance can be efficiently reduced. Moreover, if it uses as a p-type layer of a solar cell, there is a possibility that a device having a large release voltage and showing high photoelectric conversion efficiency can be constructed. Furthermore, because of the effect of the transition metal element M doping, high photoresponsiveness can be seen in a heat treatment at a relatively low temperature compared to undoped at about 600 ° C., so that it can be synthesized at a lower cost.

ここで、遷移金属MのドーピングによってABの組成を有する半導体材料の光電流応答が向上する理由については明確にできていないが、これまで報告されている酸化物半導体への金属ドープによるp型特性の向上を実現させた事例などから以下のよう推測される。 Here, although the reason why the photocurrent response of the semiconductor material having the composition of AB 2 O 4 is improved by doping with the transition metal M has not been clarified, it has been reported that metal doping of the oxide semiconductor has been reported so far. The following is inferred from the case where the improvement of the p-type characteristics is realized.

AB中のBは主として3価のイオンB3+として存在するが、Mのドープにより、A2+またはB3+とMが置き換わると、B4+が生成されると考えられる。B4+は価電子帯の最上部より卑な電位にアクセプター準位を形成し、価電子帯内にホールを生成する。このため、伝導度および可視領域の吸光度の向上が見られると解釈される。また、イオン半径の大きく異なるCa2+(99pm)またはFe3+(64pm)とAg(126pm)などが置き換わることで、結晶性の向上や新たな結晶相の露出が生じている可能性も考えられる。これらの結果として、高い光カソード応答性を示す半導体材料が得られたと推測される。従って、MがAまたはBと置換する構成が、好適であると考えられる。 B in AB 2 O 4 exists mainly as trivalent ions B 3+ , but it is considered that B 4+ is generated when M 2+ replaces A 2+ or B 3+ by M + . B 4+ forms an acceptor level at a lower potential than the top of the valence band, and generates holes in the valence band. For this reason, it is interpreted that the conductivity and the absorbance in the visible region are improved. Further, it is considered that Ca 2+ (99 pm) or Fe 3+ (64 pm) and Ag + (126 pm) having greatly different ionic radii may be replaced to improve crystallinity and expose a new crystal phase. . As a result of these, it is presumed that a semiconductor material exhibiting high photocathode responsiveness was obtained. Therefore, a configuration in which M replaces A or B is considered suitable.

その他には、CaFeにおいては伝導帯がFeの3dおよび4s軌道で形成されているが、ここにAgの分子軌道が関与することにより、移動度が向上する可能性も推察される。 In addition, in CaFe 2 O 4 , the conduction band is formed by Fe 3d and 4s orbitals, and it is assumed that the mobility may be improved by involving the molecular orbitals of Ag.

元素Aとしては、Ca,Sr,Cu,Mg,Ba,Znのうちの少なくとも1つを含むことが好適であり、元素Bとしては、Fe,Biのうちの少なくとも1つを含むことが好適である。   The element A preferably includes at least one of Ca, Sr, Cu, Mg, Ba, and Zn, and the element B preferably includes at least one of Fe and Bi. is there.

また、遷移金属元素Mとして、Ag,Cu,Auの中から少なくとも1つを含むことが好適である。   Moreover, it is preferable that at least one of Ag, Cu, and Au is included as the transition metal element M.

さらに、遷移金属元素Mのドープ量としては、X線光電子分光によって観測される表面組成のM/B比xが、0<x<2.6、好ましくは0<x<1.7、より好ましくは0.05<x<0.4であることが確認されている。   Further, the doping amount of the transition metal element M is such that the M / B ratio x of the surface composition observed by X-ray photoelectron spectroscopy is 0 <x <2.6, preferably 0 <x <1.7, more preferably Has been confirmed to be 0.05 <x <0.4.

このような、半導体材料であって、Ag/AgCl電極基準で、0.0Vの外部電位の下で、溶液中で光を照射すると、MをドープしていないCaFeよりも大きな光カソード電流を生じるものは、光電極材料として好適である。 Such a photocathode larger than CaFe 2 O 4 not doped with M when it is irradiated with light in a solution under an external potential of 0.0 V with respect to an Ag / AgCl electrode, based on an Ag / AgCl electrode. Those that generate current are suitable as photoelectrode materials.

また、Mをドープしたことによって、未ドープのものより可視光の吸光度が増大している半導体材料は、光触媒材料として好適であり、可視光を照射したときに、水や酸素の還元反応を生起するものが好適である。   In addition, a semiconductor material in which the absorbance of visible light is increased by doping with M compared to an undoped material is suitable as a photocatalytic material, and causes a reduction reaction of water and oxygen when irradiated with visible light. What is to be done is suitable.

<作製方法>
上述したような半導体材料の製造方法としては、次のような方法があげられる。
<Production method>
Examples of the method for manufacturing the semiconductor material as described above include the following methods.

RFマグネトロンスパッタリング装置により、ABのターゲットと、またはその酸化物をターゲットとして、同時に電力を投入してスパッタリングを行う。これによって、両ターゲットからの放射物が堆積することによって、MがドープされたABを成膜することができる。また、600℃−700℃の範囲で熱処理する。これによって、ABが結晶化し、MドープされたCaFe結晶中にAgをドープした半導体が得られる。 Using an RF magnetron sputtering apparatus, sputtering is performed by simultaneously applying electric power using an AB 2 O 4 target or an oxide thereof as a target. As a result, the radiation from both targets is deposited, so that AB 2 O 4 doped with M can be formed. Moreover, it heat-processes in the range of 600 to 700 degreeC. Thereby, AB 2 O 4 is crystallized, and a semiconductor doped with Ag in an M-doped CaFe 2 O 4 crystal is obtained.

また、A、B、Mの酸化物、またはこれらの炭酸塩、硝酸鉛、酢酸塩のいずれかを水中で混合し、減圧して水分を蒸発除去した後、焼成して形成することによっても、本実施形態の半導体材料を製造することができる。   Also, by mixing any of oxides of A, B, and M, or carbonates, lead nitrates, and acetates in water, evaporating and removing moisture by reducing the pressure, and then firing to form, The semiconductor material of this embodiment can be manufactured.

「実施形態1」
実施形態1では、CaFeにAgをドープする。従って、(i)CaFeのCaまたはFeのサイトの一部がAgで置換される、(ii)CaFe結晶中の格子間にAgがドープされる、(iii)CaFe結晶の結晶粒界にAgがドープされる、のいずれかまたはこれらの組み合わせによる、AgドープCaFeが得られる。
“Embodiment 1”
In the first embodiment, CaFe 2 O 4 is doped with Ag. Thus, (i) a portion of the Ca or Fe site of CaFe 2 O 4 is replaced with Ag, (ii) Ag is doped between the lattices in the CaFe 2 O 4 crystal, (iii) CaFe 2 O Ag-doped CaFe 2 O 4 is obtained by either or a combination of Ag-doped grain boundaries of four crystals.

<作製方法>
この例では、RFマグネトロンスパッタリングを使用する。Arプラズマ中で、CaFeおよびAgをターゲットとして、スパッタリングを行い、基板上にAgドープCaFeの膜を堆積する。その後、熱処理を行い、CaFeを結晶化する。これによって、CaFe結晶中にAgをドープした半導体が得られる。
<Production method>
In this example, RF magnetron sputtering is used. Sputtering is performed in Ar plasma using CaFe 2 O 4 and Ag as targets, and an Ag-doped CaFe 2 O 4 film is deposited on the substrate. Thereafter, heat treatment is performed to crystallize CaFe 2 O 4 . Thereby, a semiconductor doped with Ag in a CaFe 2 O 4 crystal is obtained.

ここで、この例では、光電極としての利用を考えており、透明ガラス上に、ATO(Sb−doped SnO)を堆積したものを用い、透明電極上に本半導体を堆積する。また、熱処理は、600℃−700℃とする。これによって、ATOを堆積したガラス基板を利用することが可能になる。また、熱処理は結晶化が目的であり、酸素ガス雰囲気下で行う。 Here, in this example, the use as a photoelectrode is considered, and the semiconductor is deposited on the transparent electrode by using ATO (Sb-doped SnO 2 ) deposited on the transparent glass. Moreover, heat processing shall be 600 to 700 degreeC. This makes it possible to use a glass substrate on which ATO is deposited. The heat treatment is aimed at crystallization and is performed in an oxygen gas atmosphere.

この作製方法の条件をまとめると次のようになる。
・ターゲット : CaFeおよびAg
・スパッタガス : Ar,50sccm
・投入電力 : CaFe:500W,Ag:0,20,35,40,45,50W
・基板 :透明ガラス上に透明電極ATO(Sb−doped SnO)を100nm堆積したもの
・膜厚 :約200nm
・ポスト熱処理温度:600,650,700,750℃のいずれかで2時間
・ポスト熱処理雰囲気:酸素気流下(酸素雰囲気中)
The conditions of this manufacturing method are summarized as follows.
Target: CaFe 2 O 4 and Ag
・ Sputtering gas: Ar, 50 sccm
-Input power: CaFe 2 O 4 : 500 W, Ag: 0, 20, 35, 40, 45, 50 W
Substrate: a transparent glass on the transparent electrode ATO (Sb-doped SnO 2) the 100nm deposited shall Film thickness: about 200nm
-Post heat treatment temperature: 600, 650, 700, 2 hours at any one of 750 ° C-Post heat treatment atmosphere: under oxygen stream (in oxygen atmosphere)

なお、実施例1−4においては、スパッタリングによってAgをドープしたが、Agドープについても、後述する湿式の合成方法を採用することも可能である。
<実施例1−4>
○実施例1
CaFeターゲットへ500W、Agターゲットへ35Wの電力を投入することで製膜し、600℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
○実施例2
CaFeターゲットへ500W、Agターゲットへ20Wの電力を投入することで製膜し、650℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
○実施例3
CaFeターゲットへ500W、Agターゲットへ35Wの電力を投入することで製膜し、650℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
○実施例4
CaFeターゲットへ500W、Agターゲットへ50Wの電力を投入することで製膜し、650℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
<比較例1−2>
○比較例1
CaFeターゲットへ500Wの電力を投入することで製膜し、酸素気流下600℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
○比較例2
CaFeターゲットへ500Wの電力を投入することで製膜し、酸素気流下650℃で2時間熱処理することで合成した薄膜電極
In Example 1-4, Ag was doped by sputtering, but a wet synthesis method described later can also be adopted for Ag doping.
<Example 1-4>
○ Example 1
Thin film electrode synthesized by applying power of 500 W to the CaFe 2 O 4 target and 35 W to the Ag target and synthesized by heat treatment at 600 ° C. for 2 hours ○ Example 2
Thin film electrode synthesized by applying power of 500 W to a CaFe 2 O 4 target and 20 W to an Ag target and synthesized by heat treatment at 650 ° C. for 2 hours. Example 3
Thin film electrode synthesized by applying power of 500 W to the CaFe 2 O 4 target and 35 W to the Ag target and synthesized by heat treatment at 650 ° C. for 2 hours ○ Example 4
Thin film electrode synthesized by applying power of 500 W to the CaFe 2 O 4 target and 50 W to the Ag target and synthesized by heat treatment at 650 ° C. for 2 hours <Comparative Example 1-2>
○ Comparative Example 1
A thin film electrode formed by applying 500 W power to a CaFe 2 O 4 target and synthesized by heat treatment at 600 ° C. for 2 hours in an oxygen stream. Comparative Example 2
Thin film electrode formed by applying 500 W power to CaFe 2 O 4 target and heat-treated at 650 ° C. for 2 hours under oxygen stream

「実施形態2」
実施形態2では、CaFeにCuをドープする。従って、(i)CaFeのCaまたはFeのサイトの一部がCuで置換される、(ii)CaFe結晶中の格子間にCuがドープされる、(iii)CaFe結晶の結晶粒界にCuがドープされる、のいずれかまたはこれらの組み合わせによる、CuドープCaFeが得られる。
“Embodiment 2”
In the second embodiment, CaFe 2 O 4 is doped with Cu. Thus, (i) a portion of the Ca or Fe site of CaFe 2 O 4 is replaced with Cu, (ii) Cu is doped between the lattices in the CaFe 2 O 4 crystal, (iii) CaFe 2 O Cu-doped CaFe 2 O 4 is obtained by either or a combination of Cu-doped grain boundaries of four crystals.

<実施例5−8>
次に、異なる合成法および形態の本発明の実施例を示す。
<Example 5-8>
Next, examples of the present invention with different synthesis methods and forms are shown.

○実施例5
酢酸カルシウム一水和物と硝酸鉄九水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、さらには硝酸銅三水和物を蒸留水に溶解させた水溶液を用意した。これらを秤量してCaとFeのモル比が1:2となり、かつCuとCaのモル比が0.5%となるように混合した。この混合溶液を15分間混合した後、120℃で乾燥させた。大気中において450℃で2時間焼成、さらにその後1000℃で6時間焼結した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを1200℃で2時間焼成することにより、Cuを含むCaFe膜を形成した。
Example 5
An aqueous solution in which calcium acetate monohydrate and iron nitrate nonahydrate were dissolved in distilled water was prepared, and an aqueous solution in which copper nitrate trihydrate was dissolved in distilled water was prepared. These were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca and Fe was 1: 2, and the molar ratio of Cu and Ca was 0.5%. This mixed solution was mixed for 15 minutes and then dried at 120 ° C. Firing was performed at 450 ° C. for 2 hours in the atmosphere, and then sintering was performed at 1000 ° C. for 6 hours. A CaFe 2 O 4 film containing Cu was formed by dispersing the powder in ethanol and applying a thin coating on platinum night at 1,200 ° C. for 2 hours.

○実施例6
酢酸カルシウム一水和物と硝酸鉄九水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、さらには硝酸銅三水和物を蒸留水に溶解させた水溶液を用意した。これらを秤量してCaとFeのモル比が1:2となり、かつCuとCaのモル比が1.5%となるように混合した。この混合溶液を15分間混合した後、120℃で乾燥させた。大気中において450℃で2時間焼成、さらにその後1000℃で6時間焼結した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを1200℃で2時間焼成することにより、Cuを含むCaFe膜を形成した。
Example 6
An aqueous solution in which calcium acetate monohydrate and iron nitrate nonahydrate were dissolved in distilled water was prepared, and an aqueous solution in which copper nitrate trihydrate was dissolved in distilled water was prepared. These were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca and Fe was 1: 2, and the molar ratio of Cu and Ca was 1.5%. This mixed solution was mixed for 15 minutes and then dried at 120 ° C. Firing was performed at 450 ° C. for 2 hours in the atmosphere, and then sintering was performed at 1000 ° C. for 6 hours. A CaFe 2 O 4 film containing Cu was formed by dispersing the powder in ethanol and applying a thin coating on platinum night at 1,200 ° C. for 2 hours.

○実施例7
硝酸カルシウム四水和物と硝酸ビスマス五水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、さらには硝酸銅三水和物を蒸留水に溶解させた水溶液を用意した。これらを秤量してCaとBiのモル比が1:2となるように、かつCuとCaのモル比が0.5%となるように混合した。これにエチレンジアミン四酢酸とクエン酸を加えた混合溶液を30分間混合した後、120℃で乾燥させ、大気中において350℃で2時間焼成した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを800℃で6時間焼結することにより、Cuを含むCaBi膜を形成した。
Example 7
An aqueous solution in which calcium nitrate tetrahydrate and bismuth nitrate pentahydrate were dissolved in distilled water was prepared, and further an aqueous solution in which copper nitrate trihydrate was dissolved in distilled water was prepared. These were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca and Bi was 1: 2, and the molar ratio of Cu and Ca was 0.5%. A mixed solution obtained by adding ethylenediaminetetraacetic acid and citric acid to this was mixed for 30 minutes, dried at 120 ° C., and calcined at 350 ° C. for 2 hours in the air. A CaBi 2 O 4 film containing Cu was formed by dispersing the powder in ethanol and applying a thin coating on platinum overnight at 800 ° C. for 6 hours.

○実施例8
硝酸カルシウム四水和物と硝酸ビスマス五水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、さらには硝酸銅三水和物を蒸留水に溶解させた水溶液を用意した。これらを秤量してCaとBiのモル比が1:2となるように、かつCuとCaのモル比が1.5%となるように混合した。これにエチレンジアミン四酢酸とクエン酸を加えた混合溶液を30分間混合した後、120℃で乾燥させ、大気中において350℃で2時間焼成した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを800℃で6時間焼結することにより、Cuを含むCaBi膜を形成した。
Example 8
An aqueous solution in which calcium nitrate tetrahydrate and bismuth nitrate pentahydrate were dissolved in distilled water was prepared, and further an aqueous solution in which copper nitrate trihydrate was dissolved in distilled water was prepared. These were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca and Bi was 1: 2, and the molar ratio of Cu and Ca was 1.5%. A mixed solution obtained by adding ethylenediaminetetraacetic acid and citric acid to this was mixed for 30 minutes, dried at 120 ° C., and calcined at 350 ° C. for 2 hours in the air. A CaBi 2 O 4 film containing Cu was formed by dispersing the powder in ethanol and applying a thin coating on platinum overnight at 800 ° C. for 6 hours.

<比較例3−4>
○比較例3
酢酸カルシウム一水和物と硝酸鉄九水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、これらを秤量してCaとFeのモル比が1:2となるように混合した。この混合溶液を15分間混合した後、120℃で乾燥させた。大気中において450℃で2時間焼成、さらにその後1000℃で6時間焼結した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを1200℃で2時間焼成することにより、CaFe膜を形成した。
<Comparative Example 3-4>
○ Comparative Example 3
An aqueous solution in which calcium acetate monohydrate and iron nitrate nonahydrate were each dissolved in distilled water was prepared, and these were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca to Fe was 1: 2. This mixed solution was mixed for 15 minutes and then dried at 120 ° C. Firing was performed at 450 ° C. for 2 hours in the atmosphere, and then sintering was performed at 1000 ° C. for 6 hours. A CaFe 2 O 4 film was formed by dispersing this powder in ethanol and applying a thin coating on platinum overnight at 1200 ° C. for 2 hours.

○比較例4
硝酸カルシウム四水和物と硝酸ビスマス五水和物を、それぞれ蒸留水に溶解させた水溶液を用意し、これらを秤量してCaとBiのモル比が1:2となるように混合した。これにエチレンジアミン四酢酸とクエン酸を加えた混合溶液を30分間混合した後、120℃で乾燥させ、大気中において350℃で2時間焼成した。この粉末をエタノールに分散し、白金泊の上に薄く塗布したものを800℃で6時間焼結することにより、CaBi膜を形成した。
○ Comparative Example 4
An aqueous solution in which calcium nitrate tetrahydrate and bismuth nitrate pentahydrate were dissolved in distilled water was prepared, and these were weighed and mixed so that the molar ratio of Ca and Bi was 1: 2. A mixed solution obtained by adding ethylenediaminetetraacetic acid and citric acid to this was mixed for 30 minutes, dried at 120 ° C., and calcined at 350 ° C. for 2 hours in the air. A CaBi 2 O 4 film was formed by dispersing the powder in ethanol and applying a thin coating on platinum overnight at 800 ° C. for 6 hours.

<試験結果>
実施例1−8,比較例1−4で得られた薄膜電極試料の光応答サイクリックボルタンメトリー測定を、ポテンショスタットを使用し、酸素を飽和させた0.2MのKSO水溶液中、参照電極に対するバイアス電位を変化させながら行った。参照電極にはAg/AgClを、対電極にはPtを使用した。照射光源には500Wキセノンランプ(朝日分光製)を使用した。光照射は、キセノンランプ全波長域の光を、45mW/cmに調節し、チョッパで連続的にON/OFFを繰り返しながら行った。
<Test results>
For the photoresponsive cyclic voltammetry measurement of the thin film electrode samples obtained in Example 1-8 and Comparative Example 1-4, refer to 0.2 M K 2 SO 4 aqueous solution saturated with oxygen using a potentiostat. This was performed while changing the bias potential with respect to the electrode. Ag / AgCl was used for the reference electrode and Pt was used for the counter electrode. A 500 W xenon lamp (manufactured by Asahi Spectroscope) was used as the irradiation light source. Light irradiation was performed while adjusting the light in the entire wavelength region of the xenon lamp to 45 mW / cm 2 and continuously turning on and off with a chopper.

図1、図2に、Agの導入量によるCaFeの酸素還元電流特性の変化(酸素雰囲気下における光電流プロファイル)を示す。横軸がAg/AgCl参照電極に対する電位(Potential/単位V)であり、縦軸が電流(Current/単位mA)である。図1は、電極は、製膜後、酸素雰囲気中600℃、図2は、製膜後、酸素雰囲気中650℃で2時間熱処理したものである。 FIG. 1 and FIG. 2 show changes in oxygen reduction current characteristics of CaFe 2 O 4 (photocurrent profile in an oxygen atmosphere) depending on the amount of Ag introduced. The horizontal axis represents the potential (Potential / unit V) with respect to the Ag / AgCl reference electrode, and the vertical axis represents the current (Current / unit mA). In FIG. 1, the electrode was heat-treated at 600 ° C. in an oxygen atmosphere after film formation, and FIG. 2 was heat-treated at 650 ° C. in an oxygen atmosphere for 2 hours after film formation.

図1において、実施例1(実線)は、35Wの電力を投入してAgをドープし、600℃で熱処理したCaFeについての酸素雰囲気下における光電流プロファイルであり、光照射に応じて電流が変化しており、電極から酸素への電子供与に対応する光カソード応答が観測された。一方、比較例1(破線)は、無ドープCaFe電極の酸素雰囲気下における光電流プロファイルであり、光ON/OFFを繰り返しながら、電位を卑側へ掃引しても、光応答は見られなかった。このことから、CaFeのみでは光応答性を示さない600℃の熱処理条件でも、Agの導入が、光応答性を発現させることを可能にしていることがわかる。 In FIG. 1, Example 1 (solid line) is a photocurrent profile in an oxygen atmosphere for CaFe 2 O 4 that is 35 W-powered, doped with Ag, and heat-treated at 600 ° C., according to light irradiation. A photocathode response corresponding to electron donation from the electrode to oxygen was observed as the current changed. On the other hand, Comparative Example 1 (broken line) is a photocurrent profile of an undoped CaFe 2 O 4 electrode in an oxygen atmosphere, and even when the potential is swept to the base side while repeating the light ON / OFF, the optical response is not observed. I couldn't. From this, it can be seen that the introduction of Ag makes it possible to develop the photoresponsiveness even under the heat treatment conditions of 600 ° C. in which only CaFe 2 O 4 does not show the photoresponsiveness.

図2に、650℃で熱処理したAg(20W(実施例2),35W(実施例3),50W(実施例4))ドープCaFe電極および無ドープ(比較例2)のCaFe電極の酸素雰囲気下における光電流プロファイルを示す。650℃で熱処理した場合には、無ドープCaFe電極(比較例2)でも、光カソード応答が観測された。Ag20Wの共スパッタにより作成した電極(実施例2)は、比較例2とほとんど同じであるが、比較例2に比べ、わずかにオンオフに応答する上下があり、わずかに光電流の増加が認められた。 FIG. 2 shows Ag (20 W (Example 2), 35 W (Example 3), 50 W (Example 4)) doped CaFe 2 O 4 electrode and undoped (Comparative Example 2) CaFe 2 O heat-treated at 650 ° C. The photocurrent profile in the oxygen atmosphere of 4 electrodes is shown. When heat-treated at 650 ° C., a photocathode response was observed even with an undoped CaFe 2 O 4 electrode (Comparative Example 2). The electrode produced by co-sputtering with Ag20W (Example 2) is almost the same as Comparative Example 2, but slightly higher and lower in response to on / off compared to Comparative Example 2, and a slight increase in photocurrent was observed. It was.

Agへの投入電力を35Wとして導入することでAgの量を増やした電極(実施例3)では光電流は大幅に増加した。一方、Agへ50Wの電力を投入して作製した電極(実施例4)では、光応答は低下し、また暗電流の寄与が見られた。最も高い光応答を示した実施例3では、印加電圧0Vにおける光電流値は245μAであり、無ドープの場合(比較例2)の15倍に相当した。   In the electrode (Example 3) in which the amount of Ag was increased by introducing the input power to Ag as 35 W, the photocurrent increased significantly. On the other hand, in the electrode (Example 4) manufactured by supplying 50 W of electric power to Ag, the photoresponse was lowered and the contribution of dark current was observed. In Example 3, which showed the highest photoresponse, the photocurrent value at an applied voltage of 0 V was 245 μA, corresponding to 15 times that in the case of no doping (Comparative Example 2).

図3、図4にAgの導入量の相違によるCaFeのX線回折パターンの変化を示す。薄膜は、製膜後、酸素雰囲気中600℃(図3)または650℃(図4)で2時間熱処理したものである。 3 and 4 show changes in the X-ray diffraction pattern of CaFe 2 O 4 due to the difference in the amount of Ag introduced. The thin film was heat-treated at 600 ° C. (FIG. 3) or 650 ° C. (FIG. 4) in an oxygen atmosphere for 2 hours after film formation.

図3に、成膜後に酸素気流下600℃で2時間処理した膜のX線回折結果(回折パターン)を示す。比較例1(図における下方の薄い線)のAgを導入していないCaFeの薄膜は、回折線を示さなかったのに対し、実施例1のAgを導入したCaFeの薄膜は強い回折線を示した(図における上方の濃い実線)。2θ=38,44,64°の回折線はAgに帰属され、それ以外の回折線はいずれもCaFeに帰属された。このように、Agを導入していない比較例ではCaFeに帰属する回折線がなく、結晶化が行われておらず、Agを導入した場合にCaFeに帰属する回折線があり結晶化が行われていることがわかる。すなわち、AgがCaFeの結晶化を促進していることがわかる。この結晶化の促進により、実施例1では600℃という低温熱処理でも光応答が発現したものと解釈できる。 FIG. 3 shows an X-ray diffraction result (diffraction pattern) of a film that was processed at 600 ° C. for 2 hours under an oxygen stream after film formation. The thin film of CaFe 2 O 4 without Ag introduced in Comparative Example 1 (lower thin line in the figure) did not show diffraction lines, whereas the thin film of CaFe 2 O 4 with Ag introduced in Example 1 Showed a strong diffraction line (upper dark solid line in the figure). The diffraction lines at 2θ = 38, 44, 64 ° were assigned to Ag, and all other diffraction lines were assigned to CaFe 2 O 4 . Thus, in the comparative example in which Ag is not introduced, there is no diffraction line attributed to CaFe 2 O 4 , crystallization is not performed, and when Ag is introduced, the diffraction line attributed to CaFe 2 O 4 is It can be seen that crystallization is occurring. That is, it can be seen that Ag promotes crystallization of CaFe 2 O 4 . By promoting this crystallization, it can be interpreted that in Example 1, a photoresponse was developed even at a low temperature heat treatment of 600 ° C.

図4に、熱処理温度を650℃とした場合のX線回折パターンを示す。熱処理温度を650℃とすると、Agを導入していない薄膜も回折線を示した。Agの導入量に対する変化に着目すると、Agの導入によりCaFeの(200)面の回折線(2θ=19°)の減少および(320)と(040)面の足し合わせの回折線(2θ=34°)の増加が見られた。このことから、AgがCaFeの結晶性の変化をもたらしていることがわかる。Agを50Wで導入した試料では、Agに帰属されるピークが主となっており、Agが過剰に存在することが示唆される。 FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern when the heat treatment temperature is 650 ° C. When the heat treatment temperature was 650 ° C., the thin film into which Ag was not introduced also showed diffraction lines. Focusing on the change with respect to the amount of introduced Ag, the introduction of Ag reduces the diffraction line (2θ = 19 °) of the (200) plane of CaFe 2 O 4 and the diffraction line of the sum of the (320) and (040) planes ( An increase of 2θ = 34 ° was observed. From this, it can be seen that Ag causes a change in the crystallinity of CaFe 2 O 4 . In the sample into which Ag is introduced at 50 W, the peak attributed to Ag is mainly, suggesting that Ag is present in excess.

図5に650℃で熱処理したCaFe(比較例2:灰色)およびAgに35Wの電力を投入することで製膜したCaFe(実施例3:黒色)の可視紫外吸収スペクトルおよび波長の単色光の電流変換効率(IPCE)を示す。IPCEは、0VvsAg/AgClの電圧を印加しながら、各波長の単色光を照射した時の入射光の電流変換効率(IPCE)をプロットしたものである。 The visible ultraviolet absorption spectrum of CaFe 2 O 4 (Comparative Example 2: gray) heat-treated at 650 ° C. in FIG. 5 and CaFe 2 O 4 (Example 3: black) formed by applying 35 W power to Ag and The current conversion efficiency (IPCE) of monochromatic light of a wavelength is shown. IPCE is a plot of current conversion efficiency (IPCE) of incident light when monochromatic light of each wavelength is irradiated while applying a voltage of 0 V vs Ag / AgCl.

紫外可視吸収スペクトルより、Agを導入することで可視領域の吸収帯が長波長側に広がっており、より広い波長の光を利用できることがわかる。さらに、各波長のIPCEを比較すると、Agを導入することで、いずれの波長の電流変換効率も大幅に増大していた。このことから、本材料におけるAgの導入による光応答性の向上の要因は、吸収波長の拡張のみではないことがわかる。   From the UV-visible absorption spectrum, it can be seen that by introducing Ag, the absorption band in the visible region spreads to the longer wavelength side, and light having a wider wavelength can be used. Furthermore, when comparing IPCE of each wavelength, the current conversion efficiency of any wavelength was significantly increased by introducing Ag. From this, it can be seen that the cause of the improvement in the photoresponsiveness due to the introduction of Ag in this material is not only the extension of the absorption wavelength.

なお、実施例1−4、比較例1−2で得られた薄膜について、紫外−可視吸収スペクトルを測定したところ、いずれも600nm以下の波長域に吸収を示した。特に、Agをドープした薄膜では、より長波長領域にも吸収帯が見られた。   In addition, when the ultraviolet-visible absorption spectrum was measured about the thin film obtained in Example 1-4 and Comparative Example 1-2, all showed absorption in the wavelength range of 600 nm or less. In particular, in the thin film doped with Ag, an absorption band was also observed in a longer wavelength region.

また、Agを導入することで、抵抗率の大幅な低下も確認された。各電極の抵抗率を四探針法により測定したところ、Agを導入していない比較例2では、抵抗率が大きく測定できなかったが、Agへの投入電力を20、35Wとした場合には、抵抗率が大幅に低下し、35W以上の電力投入では抵抗率はほぼ一定となった。このようなAgの導入による抵抗率の低下も、光応答性の増大に寄与している可能性が示唆される。   In addition, a significant decrease in resistivity was confirmed by introducing Ag. When the resistivity of each electrode was measured by the four-probe method, in Comparative Example 2 in which Ag was not introduced, the resistivity could not be measured greatly, but when the input power to Ag was 20 and 35 W, The resistivity dropped significantly, and the resistivity became almost constant when power was applied at 35 W or more. It is suggested that the decrease in resistivity due to the introduction of Ag may contribute to an increase in photoresponsiveness.

以上の事実から、CaFeへのAgの導入により、結晶性の変化、吸収波長の長波長化および抵抗率の低下が生じ、これらの結果として、光応答性の大幅な向上が実現されたと考えられる。 From the above facts, the introduction of Ag into CaFe 2 O 4 causes a change in crystallinity, a longer absorption wavelength, and a decrease in resistivity. As a result, a significant improvement in photoresponsiveness is realized. It is thought.

表1に、それぞれの光電極の0.0VvsAg/AgClにおける光電流値を示す。CaFe系については、比較例3のCaFeと比較して、全光照射および可視光のみの照射のいずれにおいても向上している。また、実施例5および6のCuドープCaFeの光電流値も、全光照射および可視光のみの照射のいずれにおいても向上している。 Table 1 shows the photocurrent values at 0.0 VvsAg / AgCl of each photoelectrode. For CaFe 2 O 4 system, as compared with CaFe 2 O 4 of Comparative Example 3, it was improved in both of the irradiation of the entire light irradiation and the visible light only. Further, the photocurrent values of the Cu-doped CaFe 2 O 4 of Examples 5 and 6 are also improved in both the all-light irradiation and the visible light-only irradiation.

また、CaBi系についても、比較例4のCaBiと比較して、実施例7および8のCuドープCaBiの光電流値が向上している。 As for the CaBi 2 O 4 system, as compared to CaBi 2 O 4 of Comparative Example 4, the photocurrent value of Cu doped CaBi 2 O 4 of Example 7 and 8 are improved.

このように、遷移金属元素であるAg,Cuをドープした結晶系がカルシウムフェライト型の半導体材料であるCaFeや、スピネル構造のCaBiにおいて、光電流を増加できることが確認された。これは、AgやCuなどの遷移金属元素をAB結晶にドープすることが、AまたはBのサイトの一部をAg,Cuなどの遷移金属元素で置換すること、AB結晶中の格子間に遷移金属元素をドーピングすること、またはABの結晶粒界に遷移金属元素をドープすることのいずれかまたはこれらの組み合わせで行われ、これによってABの結晶性が変化し、光応答性が改善されている。 Thus, it was confirmed that the crystal system doped with transition metal elements Ag and Cu can increase the photocurrent in CaFe 2 O 4 which is a calcium ferrite type semiconductor material and CaBi 2 O 4 having a spinel structure. . This is because a transition metal element such as Ag or Cu is doped into the AB 2 O 4 crystal, a part of the A or B site is replaced with a transition metal element such as Ag or Cu, and the AB 2 O 4 crystal. Either by doping a transition metal element between the lattices in the medium or by doping a transition metal element in the grain boundary of AB 2 O 4 , or a combination thereof, whereby the crystallinity of AB 2 O 4 Changes and the photoresponsiveness is improved.

結晶系としては、カルシウムフェライト型、またはスピネル構造が採用され、ここに遷移金属元素を導入することで、ABの結晶性に変化を与えることができる。特に、遷移金属元素をドーピングする手法しては、ABのスパッタリングによる形成の際に遷移金属元素のスパッタリングも同時に行う手法や、必要な成分を含む塩の水溶液を混合した後、乾燥する手法が採用可能であるが、この際にABを結晶化する処理が必須である。すなわち、本実施形態に係る半導体材料は、遷移金属元素がドープされたABの結晶であり、熱処理などによって結晶化することが重要である。 As the crystal system, a calcium ferrite type or a spinel structure is adopted, and by introducing a transition metal element therein, the crystallinity of AB 2 O 4 can be changed. In particular, as a technique for doping a transition metal element, a technique of performing sputtering of the transition metal element simultaneously with the formation of AB 2 O 4 by sputtering, or an aqueous salt solution containing necessary components is mixed and then dried. Although a technique can be adopted, a process for crystallizing AB 2 O 4 is essential at this time. That is, the semiconductor material according to this embodiment is a crystal of AB 2 O 4 doped with a transition metal element, and it is important to crystallize by heat treatment or the like.

Claims (10)

ABで表される組成を有する結晶中に遷移金属元素Mをドープした半導体材料であって、
前記Mのドープは、AまたはBのサイトの一部をMで置換すること、AB結晶中の格子間にMをドーピングすること、またはABの結晶粒界にMをドープすることのいずれかまたはこれらの組み合わせで行われ、
結晶系がカルシウムフェライト型、またはスピネル構造である半導体材料。
A semiconductor material doped with a transition metal element M in a crystal having a composition represented by AB 2 O 4 ,
The doping of M is performed by substituting a part of the A or B site with M, doping M between lattices in the AB 2 O 4 crystal, or doping the crystal grain boundary of AB 2 O 4 with M. Done in any one or a combination of these
A semiconductor material whose crystal system is calcium ferrite type or spinel structure.
請求項1に記載の半導体材料であって、
前記AとしてCa,Sr,Cu,Mg,Ba,Znの中の少なくとも1つを含み、BとしてFe,Biの中の少なくとも1つを含む、半導体材料。
The semiconductor material according to claim 1,
A semiconductor material containing at least one of Ca, Sr, Cu, Mg, Ba, Zn as A and at least one of Fe, Bi as B.
請求項1または2に記載の半導体材料であって、
前記遷移金属元素Mとして、Ag,Cu,Auの中の少なくとも1つを含む、半導体材料。
A semiconductor material according to claim 1 or 2,
A semiconductor material containing at least one of Ag, Cu, and Au as the transition metal element M.
請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体材料であって、
X線光電子分光によって観測される表面組成のM/B比xが0<x<2.6であることを特徴とする半導体材料。
The semiconductor material according to any one of claims 1 to 3,
A semiconductor material characterized in that the M / B ratio x of the surface composition observed by X-ray photoelectron spectroscopy is 0 <x <2.6.
請求項4に記載の半導体材料であって、
結晶系がカルシウムフェライト型構造である半導体材料。
The semiconductor material according to claim 4,
A semiconductor material whose crystal system is a calcium ferrite type structure.
請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体材料であって、
Mをドープしたことによって、未ドープのものより可視光の吸光度が増大している、半導体材料。
A semiconductor material according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor material in which the absorbance of visible light is increased as a result of doping with M, compared to the undoped material.
請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体材料を用いる光電極材料であって、
Ag/AgCl電極基準で、0.0Vの外部電位の下で、溶液中で光を照射すると、MをドープしていないCaFeよりも大きな光カソード電流を生じる光電極材料。
A photoelectrode material using the semiconductor material according to any one of claims 1 to 5,
A photoelectrode material that generates a photocathode current greater than that of CaFe 2 O 4 not doped with M when irradiated with light in a solution under an external potential of 0.0 V with respect to an Ag / AgCl electrode.
請求項1〜5のいずれか1つ記載の半導体材料を用いる光触媒材料であって、
可視光を照射したときに、水や酸素の還元反応を生起する光触媒材料。
A photocatalytic material using the semiconductor material according to any one of claims 1 to 5,
A photocatalytic material that causes a reduction reaction of water and oxygen when irradiated with visible light.
請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体材料の製造方法であって、
RFマグネトロンスパッタリングにより、前記ABのターゲットと、前記Mまたはその酸化物をターゲットとして、同時に電力を投入してスパッタリングを行うことによって、同時成膜するとともに、600℃−700℃の範囲で熱処理して結晶化する、半導体材料の製造方法。
It is a manufacturing method of the semiconductor material according to any one of claims 1 to 5,
By RF magnetron sputtering, the AB 2 O 4 target and the M or its oxide as a target are simultaneously sputtered by applying power, and at the same time, in the range of 600 ° C. to 700 ° C. A method for producing a semiconductor material, which is crystallized by heat treatment.
請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体材料の製造方法であって、
A、BおよびMの酸化物または炭酸塩、硝酸鉛、酢酸塩のいずれかを水中で混合し、減圧して水分を蒸発除去した後、焼成して形成する、半導体材料の製造方法。
It is a manufacturing method of the semiconductor material according to any one of claims 1 to 5,
A method for producing a semiconductor material, comprising forming any of oxides or carbonates of A, B and M, carbonate, lead nitrate, and acetate in water, evaporating and removing the water by depressurization, followed by firing.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018176259A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 青岛科技大学 Nano composite material and preparation method and application thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004358332A (en) * 2003-06-04 2004-12-24 National Institute For Materials Science Bismuth-based composite oxide visible light responsive photocatalyst and harmful chemical substance decomposition and removal method using the same
JP2005254154A (en) * 2004-03-12 2005-09-22 National Institute For Materials Science Visible light responsive complex oxide photocatalyst and method for decomposing and removing harmful chemicals using the same
JP2005279545A (en) * 2004-03-30 2005-10-13 National Institute Of Advanced Industrial & Technology photocatalyst
JP2010046604A (en) * 2008-08-21 2010-03-04 Utsunomiya Univ Photocatalyst, method for producing hydrogen and method for decomposing organic matter
JP2012052184A (en) * 2010-09-01 2012-03-15 Tokyo Univ Of Science Photocatalyst electrode and hydrogen generater, along with hydrogen generating method
JP2012532985A (en) * 2009-07-09 2012-12-20 サン−ゴバン グラス フランス Deposition method by sputtering, product obtained and sputtering target
JP2012250860A (en) * 2011-05-31 2012-12-20 Toyota Central R&D Labs Inc Semiconductor material and photocatalytic body, photoelectrode and solar cell therewith

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004358332A (en) * 2003-06-04 2004-12-24 National Institute For Materials Science Bismuth-based composite oxide visible light responsive photocatalyst and harmful chemical substance decomposition and removal method using the same
JP2005254154A (en) * 2004-03-12 2005-09-22 National Institute For Materials Science Visible light responsive complex oxide photocatalyst and method for decomposing and removing harmful chemicals using the same
JP2005279545A (en) * 2004-03-30 2005-10-13 National Institute Of Advanced Industrial & Technology photocatalyst
JP2010046604A (en) * 2008-08-21 2010-03-04 Utsunomiya Univ Photocatalyst, method for producing hydrogen and method for decomposing organic matter
JP2012532985A (en) * 2009-07-09 2012-12-20 サン−ゴバン グラス フランス Deposition method by sputtering, product obtained and sputtering target
JP2012052184A (en) * 2010-09-01 2012-03-15 Tokyo Univ Of Science Photocatalyst electrode and hydrogen generater, along with hydrogen generating method
JP2012250860A (en) * 2011-05-31 2012-12-20 Toyota Central R&D Labs Inc Semiconductor material and photocatalytic body, photoelectrode and solar cell therewith

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MATSUMOTO, YASUMICHI, ET AL.: "Improvement of CaFe2O4 Photocathode by Doping with Na and Mg", JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY, vol. Vol.74, Issue 1, JPN6017006473, 1988, US, pages 117 - 125, ISSN: 0003507385 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018176259A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 青岛科技大学 Nano composite material and preparation method and application thereof

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