退火對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的影響

蘭慧琴

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(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的重要因素，因此提出，退火對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的影響。根據(jù)不同退火溫度下PbS薄膜內(nèi)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(jié)晶性能逐漸提高，整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)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(xué)帶隙也隨之減小。

關(guān)鍵詞：退火? PbS薄膜? 結(jié)構(gòu)? 光學(xué)性質(zhì)

PbS是一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，在19世紀(jì)80年代由法國物理學(xué)家Theodore最早發(fā)現(xiàn)，PbS光學(xué)帶隙大致在4.5～4.68eV范圍內(nèi)，激子波爾半徑為15.6nm，可以產(chǎn)生明顯的量子尺寸效應(yīng)，PbS在可見和遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)具有極高的光學(xué)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(lǐng)域和藍(lán)光激電器生產(chǎn)領(lǐng)域中[1]。對(duì)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(huì)經(jīng)歷退火過程，PbS薄膜經(jīng)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(yùn)動(dòng)，以及PbS材料與氣體的化學(xué)反應(yīng)，必然會(huì)對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，同時(shí)PbS薄膜的光學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變[2]。PbS薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的好壞將會(huì)影響到材料的應(yīng)用效果，目前對(duì)于PbS薄膜的研究資料較少，基于以上想法，所以此次對(duì)退火對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行深入研究，為PbS材料的制備提供理論依據(jù)。

1? 退火對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)的影響

PbS薄膜內(nèi)主要的元素為Pb和S，在PbS薄膜的制備過程中長時(shí)間的高溫狀態(tài)使薄膜內(nèi)的Pb和S元素發(fā)生改變，表1為制備態(tài)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(huì)改變PbS薄膜內(nèi)的主要元素含量，并且隨著退火溫度的升高，薄膜內(nèi)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(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)體積在逐漸增大[3]。在制備態(tài)階段，PbS薄膜內(nèi)元素含量未發(fā)生改變，說明該狀態(tài)下薄膜還處于非晶態(tài)，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(nèi)元素含量大幅度提高，說明PbS薄膜開始結(jié)晶[4]。為了更好地研究退火對(duì)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)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(nèi)晶體性能的標(biāo)準(zhǔn)。

在退火溫度達(dá)到200℃時(shí)，PbS薄膜出現(xiàn)衍射峰，但衍射峰強(qiáng)度不明顯，說明薄膜內(nèi)的晶體性能較;當(dāng)退火溫度達(dá)到300℃時(shí)，衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說明薄膜內(nèi)晶體性能在逐漸增強(qiáng);當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，不僅衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，而且衍射峰狀態(tài)持久，說明PbS薄膜內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)趨于完整，并且晶體性能較好。

綜上所述，制備態(tài)PbS薄膜的結(jié)構(gòu)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(nèi)的原子成分逐漸開始聚集，形成完整的晶體結(jié)構(gòu)，并且晶體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定和牢固。

2? 退火對(duì)PbS薄膜的光學(xué)性質(zhì)的影響

為了更加清晰地分析出退火對(duì)PbS薄膜的光學(xué)性質(zhì)的影響，繪制了PbS薄膜制備態(tài)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(tài)階段還是退火溫度小于400℃，薄膜的光學(xué)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(xué)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(jié)晶性能的提高，薄膜內(nèi)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(xué)散射強(qiáng)度，所以增加了PbS薄膜的投射率。

綜上所述，退火會(huì)對(duì)PbS薄膜的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)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(xué)帶隙也隨之減小。

3? 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

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