文摘

PbS薄膜与厚度之间的100和150 nm首次增加了微波化学浴沉积在一个商业自动化系统与沉积时间不超过5分钟。x射线衍射分析表明,薄膜有立方岩盐类型结构具有良好的结晶度。从18到20纳米晶粒尺寸增加,随着沉积时间的增加。能量色散x射线结果证实电影化学计量。光学测量表明,薄膜10之间有相对较高的吸收系数⁴和10⁵cm - 1在可见范围内。此外,电影表现出直接的差距,在能源的范围从1.0到1.35 eV。电气性能,如电导率、塞贝克系数、浓度、载体和载流子迁移率,进行了讨论。

1。介绍

铅硫化物(PbS)是一个重要的IV-VI半导体材料与技术应用包括红外探测器(1),在薄膜太阳能电池吸收器(2,3]。不同的方法已经被用来合成PbS;它们包括化学浴沉积(CBD) (4,5],喷雾热解法[6)、脉冲激光沉积(7),真空蒸发(8),化学气相沉积(CVD) (9],超声波[10),和电沉积11]。

PbS薄膜的研究获得的CBD表明这种化合物有一个带隙能量的范围内(例如)1.39 -1.55 2.38 -2.75 eV, 10的电阻率⁵Ω厘米,沿着(111)取向的偏好或与晶粒尺寸(200)飞机约20到34海里取决于所使用的温度和/或配方(5,12,13]。作者在14]准备PbS薄膜在室温下CBD的不同沉积时间(从60到300分钟)使用醋酸铅作为铅离子的来源,硫脲生产年代离子和三乙醇胺络合剂在水里。因此,成长电影显示,如从0.52减少到0.38 eV,随着沉积时间的增加。

除了传统的设置对CBD, PbS薄膜也沉积了CBD的影响下紫外线辐射(14和微波辐射15- - - - - -19]。纳米晶体PbS薄膜已报告使用微波化学浴沉积方法和沉积时间从30到120分钟显示p型导电率(15]。x射线衍射模式显示立方岩盐(氯化钠)结构偏好晶体取向(111)或(200)根据沉积时间。此外,随着沉积时间的增加,粒径增加从13到23海里,而电阻率和带隙如从380减少到347Ω厘米,从2.7到1.6 eV。PbS纳米晶体的合成乙醇溶剂微波加热20分钟的报道(16与大小大约10 nm左右)。此外,纯立方相的PbS纳米晶体通过应用微波辐射已种植了30分钟使用乙醇、蒸馏水,乙二醇,和聚乙二醇- 200像灌了铅一样的溶剂,醋酸铅和硫脲和硫的来源,分别是(17]。这些影片展示直接过渡的光学带隙3.49 eV。PbS的纳米颗粒是准备在国内微波炉不同硫源和Pb(没有₃)₂如铅源(18]。

微波化学浴沉积(MA-CBD)是一个简单,快速,节能方法获得薄膜(20.]。加热生成从内部解决方案通过微波辐射,导致温度的均匀分布在解决方案和加速的增长率加速电影的反应动力学(21,22]。

据我们所知,这是第一次报告的PbS薄膜也与沉积时期增长了MA-CBD商业自动化系统不超过5分钟。在这部作品中,PbS薄膜合成用硫代乙酰胺作为硫源在不同的沉积时期。的结构、光学和电学性质的薄膜进行了分析。

2。材料和方法

2.1。薄膜淀积

PbS薄膜被微波化学浴沉积生长,化学配方后报道之前(23]。包含5毫升的Pb(没有一个解决方案₃)₂1米,20毫升氢氧化钠1 M, 6毫升的CH₃CSNH₂1米4毫升(霍克₂CH₂)₃N 1 M,蒸馏水是准备。典型的显微镜玻片被削减获得75 x 8 x 2毫米基质。介绍了一个衬底每次进瓶包含化学解决方案。然后,瓶放置在安东帕微波合成反应器Monowave 300 (2.4 GHz)。进行了沉积在40°C 2, 3, 4分钟。最后,样本的解决方案,用蒸馏水洗净。电影的厚度是100、130和150 nm 2, 3,分别和4分钟。

2.2。描述

电影对xp - 200中记录的厚度测量技术表面光度仪。x射线衍射(XRD)与Cu-K模式都被记录下来_α辐射在Rigaku天涯四世与1.0°的掠入射样品衍射仪平面。场效应扫描电子显微镜,Hitachi-FESEM s - 5500,用于分析表面形态的电影。化学成分分析在牛津x-act能量色散x射线谱(EDX)分析附加到Hitachi-SEM SU1510。光透射率和镜面反射光谱测量JASCO v - 670光谱仪使用空气或镀铝镜作为参考,分别。我们使用的电气测量吉时利230可编程电压源和一个吉时利619静电计。一对碳电极(长度5毫米和5毫米分离)涂膜表面,电流-电压特性有欧姆行为。光电流响应曲线进行的偏见(V) 10 V整个电极的应用。当前(我)在样本记录在每个0.5第一20年代在黑暗中,下一个20多岁的1000 W / m²提供的卤钨灯,和过去的20年代后关闭照明。热电测量由一个微伏计/扫描温度计吉时利740和直流电源两个珀尔帖元素建立一个温度的差异。导电性的活化能是评估在298和363 K之间的温度范围。

3所示。结果与讨论

3.1。反应机理

PbS薄膜形成的反应机理如下:

Pb^{2 +}离子由于Pb(没有₃)₂通过如下所示的反应(24]: 此外,硫代乙酰胺的水解,CH₃CSNH₂,发生在解决方案的释放^{2 -}离子如下(25]: 当离子Pb的产物^{2 +}和S^{2 -}离子的溶度积超过PbS (1.1 x10⁻²⁹),产生的不溶性固体PbS沉淀: 微波辐射用于MA-CBD PbS的形成提供了必要的能量。虽然描述的动力学反应,值得注意的是,加热是由于微波辐射的相互作用通过两种机制与解决方案(26,27]。这些机制都与微波辐射的相互作用与离子介质和极性溶剂,也就是说,水,导致解决方案内的温度均匀分布,不仅加速PbS的核的形成也刺激晶体的生长。

3.2。结构特性

图1显示了x射线衍射模式由MA-CBD PbS薄膜沉积技术在40°C在玻璃基板2,3,4分钟。x射线衍射模式显然已经衍射峰值为25.96°,30.06°、43.01°、50.90°、53.37°、62.54°,和68.90°,对应于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)和(420)米勒飞机立方结构(方铅矿)PbS (PDF # 077 - 0244),分别。这些结果表明,电影与立方结晶岩石盐(氯化钠)型结构。

微晶大小(D)从XRD谱用谢乐公式计算28]: 在哪里θ布喇格衍射角,λx射线辐射的波长,β是半峰的宽屏(应用)的主要峰值(200)在x射线衍射模式。

晶粒尺寸的增加是随着沉积时间的增加。这将导致改善样品的结晶度。此外,PbS薄膜半最大值宽度的大小比例随沉积时间增加,支持观察到的结晶度的增加。这些研究的结果发表在表1。

平面间距(d)从(200)飞机使用XRD设备软件。我们可以看到在桌子上1,计算平面间距值是在良好的协议与标准的PDF报告的2.967 # 077 - 0244。

晶格常数,一个电影的立方结构计算使用方程(29日] 在哪里h,k,l米勒指数和吗d是平面间距。晶格常数的值如表所示1。发现晶格常量值获得同意一个= 5.934 PDF # 077 - 0244的报告。

3.3。表面形态和化学成分

图2显示了PbS薄膜的SEM图片2,3,4分钟。显微图显示粒状结构,定义良好的晶界。此外,影片显示同质表面形态没有微裂隙和小孔。

兆的特征峰_α2.307 keV, Pb-M 2.342 keV, Pb-L_α10.550 keV EDX光谱识别的薄膜以及那些因衬底(Na-K_α1.04 keV Mg-K_α1.253 keV Al-K_α1.486 keV Si-K_α1.74 keV, Ca-K_α在3.69 keV)。

根据元素分析得到EDX,电影已经接近PbS的化学计量公式,在Pb:年代比是1:1的。PbS薄膜的组成如表所示2。图3显示了EDX频谱的PbS薄膜生长2分钟。

3.4。光学性质

图4显示了光学透过率(T)和镜面反射(RPbS薄膜。光吸收系数(α)作为光子能量的函数(hυ)估计的透射和反射光谱数据和膜厚度(d)通过考虑薄膜内的多次反射,根据以下方程(30.]: 图5显示了光吸收系数(αPbS薄膜)。块(αhν)^2/3与hυ被用来计算能量的带隙值的线性拟合实验数据,如插图所示的图4。这个情节的直线区域表明吸收边缘对应于一个直接禁止电子跃迁报道PbS薄膜生长的化学浴沉积(31日]。理解的电子跃迁类型发生在光学吸收,(αhν)²与hν也绘制。获得最适合的(αhν)^2/3与hν相关系数为0.99,而对于块(αhν)²与hν相关因素降低到0.92或更少。因此我们的实验结果表明,光学带隙在PbS薄膜直接带隙和禁止电子转换发生在光学吸收(32]。

的价值得到调整线趋于0时(α→0)。的值α> 10⁴厘米⁻¹得到的薄膜,作为显示在图吗4。PbS薄膜的光学带隙值计算分别为1.35,1.16,和1.0 eV 2、3和4分钟,分别。的值随沉积时间的增加,这可能归因于晶粒大小的增加,是显示在表中1。带隙值与文献报道值(5,14]。

3.5。电气性能

光电导性响应曲线如图的电影6。所有的样品都轻微的光电导。电导率(σ)估计的电流和电压值,电极几何形状和膜厚度。PbS薄膜显示出减少暗电导率随着时间的增加沉积。多晶半导体的导电性取决于三个因素:(我)密度的航空公司(二世)流动,(三世)在晶界势垒33,34]。尽管缺乏开尔文探针力显微镜(KPFM)测量的电影在当前的通信中,比较与其他半导体多晶硅系统让我们详细说明电导率下降[背后的潜在原因35- - - - - -38]。承运人电导率的样品可能是分析假设“多晶模型,”,运营商通过背靠背肖特基壁垒所生成的陷阱在晶界(GB)通过热电子发射。这些陷阱(带电缺陷状态GB)可能会导致薄膜生长过程中杂质分离。此外,对于小颗粒,航空公司的平均自由路径将小于宽度的障碍,和载体扩散的影响应该也上演。表3显示电导率的值。

塞贝克系数,年代(μV K⁻¹),从热电测量计算,提出了在桌子上3。对所有样本年代是正的,表明p型导电率。塞贝克系数和电导率有关通过成反比关系39];即。,the lowerσ越高,其年代。

洞浓度(p)计算通过以下关系40]: 在哪里年代是塞贝克系数,年代是参数描述半导体的散射过程,与价带的态密度,玻耳兹曼常数,e是电子电荷。根据文献我们假设的值年代5/2和10²⁴米⁻³(39,41]。另外,空穴迁移率( )计算的电导率和空穴浓度之间的关系。表3给出了这些结果。获得的结果PbS薄膜是同意0.03 x10的价值⁻²米²V⁻¹年代⁻¹先前报道(31日]。

电导率和温度之间的关系是由下列方程(30.]: 在哪里是一个参数,其价值取决于半导体材料,是热活化能,波尔兹曼常数。在图7ln的依赖(我)作为温度的逆函数(T)是PbS薄膜的绘制。阿伦尼乌斯图收益率直线,斜率对应活化能的值。激活能量为330和360 K之间的间隔是0.14,0.33,和0.35 eV淀积乘以2,3和4分钟,分别。值得注意的是,在多晶材料的活化能提供了一个衡量费米能级( ),的最大能量的价带( ),和能源的晶界势垒( ),通过关系 (33]。

4所示。结论

PbS的薄膜生长的微波化学浴沉积(MA-CBD)技术在商业自动化系统。我们可以减少沉积时间小于5分钟,获得电影有良好的附着力和均质性在衬底表面的厚度从100年到150海里。XRD分析证实了多晶立方岩盐(氯化钠)类型结构与微晶大小18至20 nm随着沉积时间不同从2到4分钟。EDX分析表明薄膜化学计量。所有的PbS电影表现出直接带隙变化从1.0到1.35 eV。电影的p型导电率和电导率的范围从13到113Ω⁻¹米⁻¹。此外,从0.13 x 10空穴迁移率降低⁻²0.02 x 10⁻²米²V⁻¹年代⁻¹随着沉积时间。结果的基础上,这些薄膜光电应用程序可能被认为是潜在的候选人。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

我们感谢Yareli科林·加西亚的援助在光学测量。我们感谢IER-UNAM CONACYT-LIFYCS 123122用于基础设施的支持。这项工作是支持即(胡安- ptc - 065和胡安- ptc - 062), CeMIE-Sol项目35个,Patronato胡安通过项目“Impulso Investigacion。”