Bericht

Cadmiumsulfide (CdS) is een anorganisch verbindingsmateriaal dat al decennia lang een belangrijke rol speelt in de opto-elektronica en fotonica. Dit sulfide-halfgeleidermateriaal onderscheidt zich door zijn unieke optische eigenschappen, die het tot een veelzijdig inzetbare grondstof maken. In deze blogbijdrage willen we dieper ingaan op de eigenschappen en toepassingen van cadmiumsulfide.

Kristalstructuur en chemische eigenschappen van cadmiumsulfide

Cadmiumsulfide kristalliseert in de wurtziet-structuur, een hexagonale kristalstructuur waarbij cadmium- en zwavelatomen tetraëdrisch gecoördineerd zijn. Deze kristalstructuur leidt tot een reeks interessante fysische eigenschappen van het materiaal.

Op atomair niveau bestaat cadmiumsulfide uit covalent gebonden cadmium- en zwavelatomen. De bindingslengte tussen de atomen bedraagt ongeveer 2,52 Å. Cadmium heeft de oxidatietoestand +2, zwavel de oxidatietoestand -2, waardoor het materiaal als geheel elektrisch neutraal is.

Cadmiumsulfide is een directe halfgeleider met een bandkloof van ongeveer 2,42 eV bij kamertemperatuur. Dit betekent dat elektronen direct van de valentieband naar de geleidingsband kunnen worden aangeslagen, zonder dat er extra energie nodig is in de vorm van fononen (roostertrillingen). Deze directe overgang leidt tot een zeer efficiënte lichtabsorptie en -emissie in CdS-gebaseerde opto-elektronische componenten.

Optische eigenschappen van cadmiumsulfide

De optische eigenschappen van cadmiumsulfide zijn uiterst veelzijdig en maken het materiaal tot een waardevolle grondstof in de opto-elektronica. Hieronder vallen in het bijzonder:

Lichtabsorptie

Cadmiumsulfide is in staat een groot deel van het zichtbare licht te absorberen. De absorptierand ligt in het violette golflengtegebied bij ongeveer 515 nm. Boven deze golflengte is CdS transparant, eronder wordt licht efficiënt geabsorbeerd. Deze selectieve absorptie maakt CdS tot een ideaal materiaal voor opto-elektronische componenten zoals zonnecellen of fotodetectors.

Luminescentie

Wanneer cadmiumsulfide met licht wordt geëxciteerd, kan het de geabsorbeerde energie in de vorm van luminescentie, dus lichtemissie, weer afgeven. Afhankelijk van de dotering en defecten in het kristalrooster kunnen verschillende emissiekleuren worden bereikt – van blauw via groen tot geel. Deze eigenschap maakt CdS tot een interessant materiaal voor lichtemitterende diodes (LED's) en displaytoepassingen.

Fotoge-leiding

Cadmiumsulfide is een halfgeleidermateriaal waarvan de elektrische geleiding onder invloed van licht aanzienlijk toeneemt. Dit effect van fotoge-leiding wordt in veel opto-elektronische componenten zoals lichtafhankelijke weerstanden of fotokopieerapparaten benut.

Niet-lineaire optica

Vanwege zijn kristalstructuur en symmetrie-eigenschappen vertoont cadmiumsulfide ook niet-lineaire optische effecten. Hiertoe behoren bijvoorbeeld de frequentieverdubbeling van laserlicht, die in holografie of lasertechnologie kan worden ingezet.

Toepassingen van cadmiumsulfide

De unieke optische eigenschappen van cadmiumsulfide maken het tot een veelzijdig inzetbaar materiaal in de opto-elektronica en fotonica. Enkele belangrijke toepassingen zijn:

Zonnecellen

Cadmiumsulfide wordt vaak gebruikt als venstermateriaal in dunnefilm-zonnecellen, met name in combinatie met cadmiumtelluride (CdTe) als absorptiemateriaal. De goede lichtabsorptie en fotoge-leiding van CdS dragen bij aan het hoge rendement van deze zonnecellen.

Fotodetectors

De fotoge-leiding van cadmiumsulfide maakt het tot een ideaal materiaal voor fotodetectors zoals lichtafhankelijke weerstanden of fotocellen. Op CdS gebaseerde fotodetectors vinden toepassing in camera's, bewegingsmelders en vele andere opto-elektronische apparaten.

Lichtemitterende diodes (LED's)

Dankzij zijn luminescentie-eigenschappen kan cadmiumsulfide ook als lichtgevend materiaal in lichtemitterende diodes (LED's) worden ingezet. Met name gele en groene LED's profiteren van de emissie-eigenschappen van CdS.

Optische filters

De selectieve absorptie van CdS in het violette golflengtegebied maakt het tot een geschikt materiaal voor optische filters die bijvoorbeeld in camera's of displays kunnen worden gebruikt.

Niet-lineaire optica

De niet-lineaire optische eigenschappen van cadmiumsulfide vinden toepassing in holografie, lasertechnologie en frequentieconversie.

Over het algemeen is cadmiumsulfide vanwege zijn veelzijdige optische eigenschappen een uiterst veelzijdig en belangrijk halfgeleidermateriaal in de opto-elektronica. Ondanks enkele zorgen over de toxiciteit van cadmium blijft CdS een waardevol materiaal dat in tal van moderne technologieën wordt toegepast.