电化学沉积PbS光学薄膜的制备及性能研究

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作为Ⅳ族~Ⅵ族半导体中的重要一员,硫化铅(PbS)纳米晶由于具有小的直接带隙能(0.41eV,300K)和较大的激子玻尔半径(18nm),已被广泛应用于发光二极管(LED)、生物荧光探针、摄影、红外探测、Pb2+离子选择性传感器和太阳能接收器等方面。随着科学技术的飞速发展,光电功能材料成为一类非常重要的材料,在信息、激光、计算机、自动化、航空航天以及现代化国防技术中有广泛而重要的应用。由于用途广泛,人们研究出了很多制备PbS薄膜的方法,像电化学沉积法、高温溅射法、连续离子层吸附反应法、微波法及化学浴沉积法等。目前我国对PbS薄膜的研究较少,国外虽有少量介绍PbS薄膜制备方法的报道,但其制备方法多数较复杂,且杂质较多。基于电沉积法众多的优点,本文则尝试采用阴极恒电位法沉积PbS薄膜,并用X-射线衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)、紫外可见近红外光谱仪(UV-VIS-NIR)以及傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)对薄膜的结构和光学性能进行了表征重点研究了各工艺因素对薄膜结构和性能的影响。   以Pb(NO3)2和Na2S2O3为主要原料采用电化学沉积法在单晶ITO导电玻璃上沉积了PbS薄膜。系统地研究了沉积电压、溶液的pH值、n(Pb2+):n(S2O32-)、沉积温度、沉积时间、热处理温度、基板等工艺因素对于薄膜的物相、显微结构和光学性能的影响。并采用XRD、AFM、XPS、UV-VIS-NIR和FT-IR对薄膜组成、形貌及性能进行了表征。结果表明沉积电压、溶液的pH值、n(Pb2+):n(S2O32-)、沉积温度、沉积时间、热处理温度、基板等等工艺因素对薄膜的相组成具有十分明显的影响,在沉积电压为3.0V,pH值为2.4,沉积时间为20min,pb2+:S2O32-值为1:3,沉积温度为60℃,加入EDTA作络合剂的情况下,可制备出沿(111)和(200)晶面取向生长的立方相PbS薄膜。薄膜显微结构均匀而致密。沉积电压是影响电沉积PbS薄膜结构与性能的最主要的工艺因素之一。随着沉积电压的升高,薄膜表面PbS衍射峰逐渐增强,晶粒尺寸逐渐增大,结晶程度变好,光的吸收性能明显增强。在pH=2.2~3.5范围内,随着沉积溶液pH值的升高,薄膜表面PbS衍射峰先增强后减弱,晶粒尺寸先增大后减小,薄膜内的压应力及禁带宽度先减小后增大。所制备的微晶PbS薄膜的禁带宽度约为0.38~0.39eV。随着沉积溶液Pb2+与S2O32-浓度比值的减小,薄膜表面PbS衍射峰逐渐减弱,晶粒尺寸逐渐减小,薄膜的禁带宽度逐渐增大。所制备的微晶PbS薄膜的禁带宽度约为0.38~0.39eV。随着沉积溶液温度的升高,薄膜表面PbS衍射峰不断增强,晶粒尺寸不断增大,薄膜内的压应力及禁带宽度逐渐减小。所制备的微晶PbS薄膜的禁带宽度约为0.39eV。另外沉积时间、热处理温度及基板也都是影响薄膜沉积的重要因素。Si(100)基板更适合生长结晶良好的PbS薄膜。随沉积时间和热处理温度的提高,薄膜的取向生长和结晶趋势增强,所制备的PbS光学薄膜表现出明显的红外吸收性,禁带宽度约为0.38eV。
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