Cienkie warstwy TiO₂/CuO pełnią funkcje fotokatalizatorów oraz fotoelektrod, jednocześnie stanowiąc wyzwanie technologiczne. Podwójne warstwy TiO₂/CuO otrzymano metodą sekwencyjnego reaktywnego rozpylania magnetronowego w wysokopróżniowym systemie UHV (Rysunek 1a). Wykazano, że zarówno reflektometria rentgenowska XRR jak i pomiary spektralnej zależności współczynnika odbicia w zakresie widzialnym i bliskiego ultrafioletu umożliwiają uzyskanie informacji na temat kontaktu pomiędzy TiO₂ i CuO. Pomiary wykonane na synchrotronie SOLARIS metodą rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej XAS w modzie TEY umożliwiły sformułowanie wniosków dotyczących stanu utlenienia miedzi i struktury elektronowej układu TiO₂/CuO.

Sekwencyjne rozpylanie magnetronowe cienkich warstw przeprowadzone w jednym procesie próżniowym zapewniło wzrost heterostruktur z wyraźnie zdefiniowanym kontaktem pomiędzy TiO₂ i CuO. Grubość dolnej warstwy CuO wynosiła ok. 200 nm podczas gdy grubość górnej warstwy TiO₂ była zmieniana w zakresie 25-150 nm (Rysunek 1b) poprzez odpowiedni dobór czasu rozpylania tarczy Ti. Chropowatość zewnętrznej powierzchni heterostruktury malała od 12 nm dla CuO do 1-2 nm dla cienkiej warstwy TiO₂ o największej grubości. Właściwości powierzchni i kontaktu między warstwami były badane metodą spektrofotometrii optycznej, reflektrometrii rentgenowskiej XRR oraz rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej XAS w zakresie miękkiego promieniowania synchrotronowego. Przeprowadzone badania wykazały, że warstwa CuO jest pokryta całkowicie przez TiO₂ w wyniku czego tworzy się heterozłącze typu p-n, jednakże na zewnętrznej powierzchni układu dwuwarstwowego TiO₂/CuO prawdopodobnie występuje TiO₂ domieszkowane miedzią. Rentgenowska spektroskopia absorpcyjna potwierdziła obecność Cu⁺ i Cu²⁺ na powierzchni heterostruktury TiO₂/CuO (Rysunek 1c). Na podstawie pomiarów kinetyki procesu generacji prądu pod wpływem oświetlenia stwierdzono, że cienkie warstwy TiO₂/CuO pełnią rolę fotokatod w ogniwie fotoelektrochemicznym PEC do produkcji wodoru (Rysunek 1d), a wartość fotoprądu zależy od grubości warstwy TiO₂ pokrywającej układ podwójny.

Fig. 1 Wysokopróżniowy system UHV przeznaczony do reaktywnego rozpylania magnetronowego wraz ze schematem procesu sekwencyjnego nanoszenia podwójnych cienkich warstw TiO₂/CuO a), zdjęcie SEM układu TiO₂/CuO b), widma absorpcyjne promieniowania rentgenowskiego, XAS zmierzone w modzie TEY na krawędzi Cu L23 dla heterostruktur TiO₂/CuO  c), kinetyki fotoprądu dla: cienkiej warstwy TiO₂ jako fotoanody, cienkiej warstwy CuO jako fotokatody oraz warstwy podwójnej TiO₂/CuO pełniącej rolę fotokatody d).

Link do publikacji:

J. Banas-Gac, M. Radecka, A. Czapla, E. Kusior, and K. Zakrzewska, Surface and Interface Properties of TiO2/CuO Thin Film Bilayers Deposited by Rf Reactive Magnetron Sputtering, Appl Surf Sci 616, 156394 (2023).