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

        2020-07-14 17:47:30蘭慧琴
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        蘭慧琴

        摘? ?要:退火溫度的把控在PbS薄膜制備過(guò)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(guó)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(guò)率、折射率,常用于各種光電子器件中,尤其是在太陽(yáng)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(wú)論哪種方法在PbS薄膜的制備過(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷退火過(guò)程,PbS薄膜經(jīng)過(guò)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(guò)程中長(zhǎng)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(shuō)明在退火過(guò)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(shuō)明該狀態(tài)下薄膜還處于非晶態(tài),即沒(méi)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(yǔ)

        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)

        [1] 殷磊,丁和勝,袁兆林,等.退火溫度對(duì)ZnO納米線陣列形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)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(duì)激光沉積TA15鈦合金組織及力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)激光,2018,45(3):208-214.

        [3] 樊祥澤,李旭,楊慶波,等.退火工藝對(duì)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(xué)友,劉英,李衛(wèi),等.退火對(duì)激光熔覆CoCrFeNiB_(0.5)高熵合金涂層組織與電化學(xué)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(duì)旋涂法制備SnO_2薄膜性能的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2019,40(2):164-170.

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

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