Si基PbS納米薄膜的化學(xué)水浴合成及其光學(xué)特性研究.pdf

1、本文采用低成本的化學(xué)水浴法，通過改變光快速熱處理溫度(Trtt)、反應(yīng)物濃度、絡(luò)合劑等實(shí)驗(yàn)參數(shù)在p型單晶Si(100)襯底上制備出了一系列多晶的PbS及摻雜的PbS納米薄膜，并研究了不同工藝參數(shù)對PbS納米薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的影響。采用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡來表征PbS薄膜的結(jié)構(gòu)和表面特性；使用分光光度計(jì)表征了薄膜在近紅外光波段的吸收特性；借助薄膜截面的掃瞄電鏡照片來確定薄膜厚度；利用高阻儀測量薄膜的電阻率。主要研究

2、結(jié)果如下：
　　(1)光快速熱處理前后，PbS納米薄膜都具有立方多晶結(jié)構(gòu)，在晶粒尺寸上， PbS薄膜呈現(xiàn)了一定程度的各向異性。隨著Trtt的升高，PbS薄膜趨于致密，表面粗糙度和表面平均晶粒尺寸先變大后減小，薄膜厚度總體減小。隨著Trtt的升高，利用陶斯公式擬合的近紅外吸收邊先紅移后藍(lán)移，近紅外吸收邊的變化范圍是0.99 eV~1.24 eV(即1000.0 nm~1252.5 nm)，其中Trtt為300℃時(shí)得到的PbS薄膜結(jié)晶

3、性最好，厚度最大，吸收邊最寬而具有最好的近紅外吸收特性。
　　(2)反應(yīng)過程中，前驅(qū)體的濃度對薄膜的生成具有一定的影響，隨著硫源濃度(CS)的增大，吸收邊先藍(lán)移后紅移，當(dāng)鉛源濃度和硫源濃度相同時(shí)得到的薄膜質(zhì)量最好，且吸收特性最好。不使用絡(luò)合劑制備的 PbS薄膜的質(zhì)量很差，而添加某種(NH3?H2O，TEA和 TSC)絡(luò)合劑時(shí)，薄膜是致密的、均勻的、光滑的且由不同形狀和尺寸的顆粒組成，薄膜表面顆粒的形貌和尺寸隨著絡(luò)合劑的改變而改變。

4、使用TEA作為絡(luò)合劑時(shí)得到的PbS薄膜的厚度最大(429.9 nm)，且具有較寬的帶隙1.43 eV。隨著TEA的濃度(Cm)的增大，薄膜<111>和<200>方向的平均晶粒尺寸存在明顯的差異，顯示晶粒的形狀偏離球形明顯。在晶粒尺寸上， PbS薄膜呈現(xiàn)了一定程度的各向異性。薄膜的平均顆粒尺寸隨著Cm的增大逐漸增大，形狀由不規(guī)則變?yōu)榱艘?guī)則的三角形，薄膜的吸收邊先紅移后藍(lán)移(轉(zhuǎn)折點(diǎn)為Cm=0.2 M)。
　　(3)制備的本征PbS及P

5、bS:Zn2+納米薄膜均為多晶的立方體結(jié)構(gòu)且具有<200>擇優(yōu)取向；隨著Zn2+濃度(CZn)的增大,<200>方向的平均晶粒尺寸(22 nm~74 nm)基本上先減小后增大，而<111>方向的平均晶粒尺寸與<200>方向的變化趨勢相反；表面顆粒的形狀由起初的不規(guī)則趨于三角形和金字塔形。PbS:Zn2+薄膜的吸收邊隨著CZn的增大先藍(lán)移后紅移,吸收邊的藍(lán)移歸結(jié)于Burstein-Moss效應(yīng)和(111)晶面上張應(yīng)力的增大,而紅移則歸結(jié)于

6、(111)面上張應(yīng)力的減小。隨著CZn的增大，樣品的電阻率先從1.31×105??cm減小到1.0×102??cm,然后再增大。
　　(4)通過調(diào)整Al3+的濃度制備出不同帶隙的PbS:Al3+多晶納米薄膜，吸收邊在1.18~2.12 eV之間變化，PbS薄膜的吸收特性從近紅外區(qū)域變化到可見光區(qū)域。Al3+的摻入不僅能調(diào)制薄膜的光學(xué)帶隙，還可以改變其電阻率，從而改善樣品的導(dǎo)電性。而對 PbS薄膜進(jìn)行的堿金屬共摻，由于堿金屬半徑太小