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      退火對PbS薄膜的結構及光學性質的影響

      發布時間:2020-09-29 16:10所屬分類:環境科學加入收藏

      摘 要:退火溫度的把控在PbS薄膜制備過程中是非常重要的,是決定PbS薄膜的結構及光學性質的重要因素,因此提出,退火對PbS薄膜的結構及光學性質的影

        摘 要:退火溫度的把控在PbS薄膜制備過程中是非常重要的,是決定PbS薄膜的結構及光學性質的重要因素,因此提出,退火對PbS薄膜的結構及光學性質的影響。根據不同退火溫度下PbS薄膜內元素含量及衍射峰的變化情況,隨著退火溫度的逐漸提高,PbS薄膜的結晶性能逐漸提高,整體結構趨于穩定和完整;隨著退火溫度的逐漸提高,PbS薄膜的透射率極大值逐漸減小,并且PbS薄膜的光學帶隙也隨之減小。

        關鍵詞:退火 PbS薄膜 結構 光學性質

      科技論文發表

        PbS是一種窄帶隙半導體材料,在19世紀80年代由法國物理學家Theodore最早發現,PbS光學帶隙大致在4.5~4.68eV范圍內,激子波爾半徑為15.6nm,可以產生明顯的量子尺寸效應,PbS在可見和遠紅外光譜區具有極高的光學透過率、折射率,常用于各種光電子器件中,尤其是在太陽能電池制作領域和藍光激電器生產領域中[1]。對于PbS薄膜的制備方法有電子束蒸法、磁控激射法、激電法、脈沖激光沉積法等,但無論哪種方法在PbS薄膜的制備過程中都會經歷退火過程,PbS薄膜經過真空或者一定氣氛中退火后,由于PbS原子在高溫條件下的運動,以及PbS材料與氣體的化學反應,必然會對PbS薄膜的結構產生影響,同時PbS薄膜的光學結構也會發生改變[2]。PbS薄膜的結構及光學性質的好壞將會影響到材料的應用效果,目前對于PbS薄膜的研究資料較少,基于以上想法,所以此次對退火對PbS薄膜的結構及光學性質的影響進行深入研究,為PbS材料的制備提供理論依據。

        1 退火對PbS薄膜的結構的影響

        PbS薄膜內主要的元素為Pb和S,在PbS薄膜的制備過程中長時間的高溫狀態使薄膜內的Pb和S元素發生改變,表1為制備態和不同退火溫度PbS薄膜中各元素百分比。

        從表1可以看出,退火會改變PbS薄膜內的主要元素含量,并且隨著退火溫度的升高,薄膜內Pb和S元素的含量也逐漸提高,說明在退火過程中PbS薄膜內的晶體結構體積在逐漸增大[3]。在制備態階段,PbS薄膜內元素含量未發生改變,說明該狀態下薄膜還處于非晶態,即沒有形成完整的晶體粒子,但隨著退火溫度的逐漸提高,PbS薄膜內元素含量大幅度提高,說明PbS薄膜開始結晶[4]。為了更好地研究退火對PbS薄膜的結構的影響,結合不同退火溫度下PbS薄膜衍射峰(XPD)的變化情況,衍射峰是衡量材料內晶體性能的標準。

        在退火溫度達到200℃時,PbS薄膜出現衍射峰,但衍射峰強度不明顯,說明薄膜內的晶體性能較;當退火溫度達到300℃時,衍射峰強度增強,說明薄膜內晶體性能在逐漸增強;當退火溫度達到400℃時,不僅衍射峰強度增強,而且衍射峰狀態持久,說明PbS薄膜內晶體結構趨于完整,并且晶體性能較好。

        綜上所述,制備態PbS薄膜的結構性能比較差,但隨著退火溫度的逐漸提高,PbS薄膜的晶體粒子直徑先增大而后再逐漸變小,PbS薄膜內的原子成分逐漸開始聚集,形成完整的晶體結構,并且晶體結構逐漸趨于穩定和牢固。

        2 退火對PbS薄膜的光學性質的影響

        為了更加清晰地分析出退火對PbS薄膜的光學性質的影響,繪制了PbS薄膜制備態與不同退火溫度下薄膜的透射光譜曲線,如圖1所示。

        從上圖1可以看出,PbS薄膜無論是在制備態階段還是退火溫度小于400℃,薄膜的光學吸收邊波長在400nm左右,其光子能量大約在3.2eV左右[5]。但隨著退火溫度的增加,薄膜的光學吸收邊波長也隨之增加,薄膜的光子能量也隨著增加[6]。這是由于薄膜在退火過沖中結晶性能的提高,薄膜內晶體粒子體積逐漸增大,表面粗糙度逐漸提高,從而減小了薄膜的表面光學散射強度,所以增加了PbS薄膜的投射率。

        綜上所述,退火會對PbS薄膜的光學性質產生一定的影響,隨著退火溫度的逐漸提高,PbS薄膜的透射率極大值逐漸減小,并且PbS薄膜的光學帶隙也隨之減小。

        3 結語

        此次研究了退火對PbS薄膜的結構及光學性質的影響,雖然在該方面取得了一定的研究成果,但是僅進行了初步研究,還有許多工作需要改善和提高,比如退火對PbS薄膜電學性能的影響,今后還需要對其進行深入研究,為制備高質量的PbS薄膜提供參考依據。

        參考文獻

        [1] 殷磊,丁和勝,袁兆林,等.退火溫度對ZnO納米線陣列形貌、結構和光學特性的影響[J].光電子激光,2018,29(4):370-376.

        [2] 欽蘭云,徐麗麗,楊光,等.退火方式對激光沉積TA15鈦合金組織及力學性能的影響[J].中國激光,2018,45(3):208-214.

        [3] 樊祥澤,李旭,楊慶波,等.退火工藝對連鑄連軋8030鋁合金桿組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2018,43(12):95-100.

        [4] 劉學友,劉英,李衛,等.退火對激光熔覆CoCrFeNiB_(0.5)高熵合金涂層組織與電化學性能的影響[J].熱加工工藝,2019,48(8):197-202,205.

        [5] 張旭,劉賢哲,袁煒健,等.退火溫度對旋涂法制備SnO_2薄膜性能的影響[J].發光學報,2019,40(2):164-170.

        [6] 劉后龍,馬明玉,劉玲玲,等.熱軋板退火工藝對19Cr2Mo1W鐵素體不銹鋼織構與成形性能的影響[J].金屬學報,2019,55(5):566-574.

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