Si基PbS纳米薄膜的化学水浴合成及其光学特性研究

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本文采用低成本的化学水浴法,通过改变光快速热处理温度(Trtt)、反应物浓度、络合剂等实验参数在p型单晶Si(100)衬底上制备出了一系列多晶的PbS及掺杂的PbS纳米薄膜,并研究了不同工艺参数对PbS纳米薄膜的微结构、光学性质和电学性质的影响。采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜来表征PbS薄膜的结构和表面特性;使用分光光度计表征了薄膜在近红外光波段的吸收特性;借助薄膜截面的扫瞄电镜照片来确定薄膜厚度;利用高阻仪测量薄膜的电阻率。主要研究结果如下:  (1)光快速热处理前后,PbS纳米薄膜都具有立方多晶结构,在晶粒尺寸上, PbS薄膜呈现了一定程度的各向异性。随着Trtt的升高,PbS薄膜趋于致密,表面粗糙度和表面平均晶粒尺寸先变大后减小,薄膜厚度总体减小。随着Trtt的升高,利用陶斯公式拟合的近红外吸收边先红移后蓝移,近红外吸收边的变化范围是0.99 eV~1.24 eV(即1000.0 nm~1252.5 nm),其中Trtt为300℃时得到的PbS薄膜结晶性最好,厚度最大,吸收边最宽而具有最好的近红外吸收特性。  (2)反应过程中,前驱体的浓度对薄膜的生成具有一定的影响,随着硫源浓度(CS)的增大,吸收边先蓝移后红移,当铅源浓度和硫源浓度相同时得到的薄膜质量最好,且吸收特性最好。不使用络合剂制备的 PbS薄膜的质量很差,而添加某种(NH3?H2O,TEA和 TSC)络合剂时,薄膜是致密的、均匀的、光滑的且由不同形状和尺寸的颗粒组成,薄膜表面颗粒的形貌和尺寸随着络合剂的改变而改变。使用TEA作为络合剂时得到的PbS薄膜的厚度最大(429.9 nm),且具有较宽的带隙1.43 eV。随着TEA的浓度(Cm)的增大,薄膜<111>和<200>方向的平均晶粒尺寸存在明显的差异,显示晶粒的形状偏离球形明显。在晶粒尺寸上, PbS薄膜呈现了一定程度的各向异性。薄膜的平均颗粒尺寸随着Cm的增大逐渐增大,形状由不规则变为了规则的三角形,薄膜的吸收边先红移后蓝移(转折点为Cm=0.2 M)。  (3)制备的本征PbS及PbS:Zn2+纳米薄膜均为多晶的立方体结构且具有<200>择优取向;随着Zn2+浓度(CZn)的增大,<200>方向的平均晶粒尺寸(22 nm~74 nm)基本上先减小后增大,而<111>方向的平均晶粒尺寸与<200>方向的变化趋势相反;表面颗粒的形状由起初的不规则趋于三角形和金字塔形。PbS:Zn2+薄膜的吸收边随着CZn的增大先蓝移后红移,吸收边的蓝移归结于Burstein-Moss效应和(111)晶面上张应力的增大,而红移则归结于(111)面上张应力的减小。随着CZn的增大,样品的电阻率先从1.31×105??cm减小到1.0×102??cm,然后再增大。  (4)通过调整Al3+的浓度制备出不同带隙的PbS:Al3+多晶纳米薄膜,吸收边在1.18~2.12 eV之间变化,PbS薄膜的吸收特性从近红外区域变化到可见光区域。Al3+的掺入不仅能调制薄膜的光学带隙,还可以改变其电阻率,从而改善样品的导电性。而对 PbS薄膜进行的碱金属共掺,由于碱金属半径太小对基体材料光学带隙的调制效果不是很明显,但是能够在小范围内改变其光学带隙。
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