退火对PbS薄膜的结构及光学性质的影响

　　摘 要：退火温度的把控在PbS薄膜制备过程中是非常重要的，是决定PbS薄膜的结构及光学性质的重要因素，因此提出，退火對PbS薄膜的结构及光学性质的影响。根据不同退火温度下PbS薄膜内元素含量及衍射峰的变化情况，随着退火温度的逐渐提高，PbS薄膜的结晶性能逐渐提高，整体结构趋于稳定和完整;随着退火温度的逐渐提高，PbS薄膜的透射率极大值逐渐减小，并且PbS薄膜的光学带隙也随之减小。

　　关键词：退火 PbS薄膜 结构 光学性质

　　PbS是一种窄带隙半导体材料，在19世纪80年代由法国物理学家Theodore最早发现，PbS光学带隙大致在4.5～4.68eV范围内，激子波尔半径为15.6nm，可以产生明显的量子尺寸效应，PbS在可见和远红外光谱区具有极高的光学透过率、折射率，常用于各种光电子器件中，尤其是在太阳能电池制作领域和蓝光激电器生产领域中[1]。对于PbS薄膜的制备方法有电子束蒸法、磁控激射法、激电法、脉冲激光沉积法等，但无论哪种方法在PbS薄膜的制备过程中都会经历退火过程，PbS薄膜经过真空或者一定气氛中退火后，由于PbS原子在高温条件下的运动，以及PbS材料与气体的化学反应，必然会对PbS薄膜的结构产生影响，同时PbS薄膜的光学结构也会发生改变[2]。PbS薄膜的结构及光学性质的好坏将会影响到材料的应用效果，目前对于PbS薄膜的研究资料较少，基于以上想法，所以此次对退火对PbS薄膜的结构及光学性质的影响进行深入研究，为PbS材料的制备提供理论依据。

　　1 退火对PbS薄膜的结构的影响

　　PbS薄膜内主要的元素为Pb和S，在PbS薄膜的制备过程中长时间的高温状态使薄膜内的Pb和S元素发生改变，表1为制备态和不同退火温度PbS薄膜中各元素百分比。

　　从表1可以看出，退火会改变PbS薄膜内的主要元素含量，并且随着退火温度的升高，薄膜内Pb和S元素的含量也逐渐提高，说明在退火过程中PbS薄膜内的晶体结构体积在逐渐增大[3]。在制备态阶段，PbS薄膜内元素含量未发生改变，说明该状态下薄膜还处于非晶态，即没有形成完整的晶体粒子，但随着退火温度的逐渐提高，PbS薄膜内元素含量大幅度提高，说明PbS薄膜开始结晶[4]。为了更好地研究退火对PbS薄膜的结构的影响，结合不同退火温度下PbS薄膜衍射峰(XPD)的变化情况，衍射峰是衡量材料内晶体性能的标准。

　　在退火温度达到200℃时，PbS薄膜出现衍射峰，但衍射峰强度不明显，说明薄膜内的晶体性能较;当退火温度达到300℃时，衍射峰强度增强，说明薄膜内晶体性能在逐渐增强;当退火温度达到400℃时，不仅衍射峰强度增强，而且衍射峰状态持久，说明PbS薄膜内晶体结构趋于完整，并且晶体性能较好。

　　综上所述，制备态PbS薄膜的结构性能比较差，但随着退火温度的逐渐提高，PbS薄膜的晶体粒子直径先增大而后再逐渐变小，PbS薄膜内的原子成分逐渐开始聚集，形成完整的晶体结构，并且晶体结构逐渐趋于稳定和牢固。

　　2 退火对PbS薄膜的光学性质的影响

　　为了更加清晰地分析出退火对PbS薄膜的光学性质的影响，绘制了PbS薄膜制备态与不同退火温度下薄膜的透射光谱曲线，如图1所示。

　　从上图1可以看出，PbS薄膜无论是在制备态阶段还是退火温度小于400℃，薄膜的光学吸收边波长在400nm左右，其光子能量大约在3.2eV左右[5]。但随着退火温度的增加，薄膜的光学吸收边波长也随之增加，薄膜的光子能量也随着增加[6]。这是由于薄膜在退火过冲中结晶性能的提高，薄膜内晶体粒子体积逐渐增大，表面粗糙度逐渐提高，从而减小了薄膜的表面光学散射强度，所以增加了PbS薄膜的投射率。

　　综上所述，退火会对PbS薄膜的光学性质产生一定的影响，随着退火温度的逐渐提高，PbS薄膜的透射率极大值逐渐减小，并且PbS薄膜的光学带隙也随之减小。

　　3 结语

　　此次研究了退火对PbS薄膜的结构及光学性质的影响，虽然在该方面取得了一定的研究成果，但是仅进行了初步研究，还有许多工作需要改善和提高，比如退火对PbS薄膜电学性能的影响，今后还需要对其进行深入研究，为制备高质量的PbS薄膜提供参考依据。

　　参考文献

　　[1] 殷磊，丁和胜，袁兆林，等.退火温度对ZnO纳米线阵列形貌、结构和光学特性的影响[J].光电子激光，2018，29(4)：370-376.

　　[2] 钦兰云，徐丽丽，杨光，等.退火方式对激光沉积TA15钛合金组织及力学性能的影响[J].中国激光，2018，45(3)：208-214.

　　[3] 樊祥泽，李旭，杨庆波，等.退火工艺对连铸连轧8030铝合金杆组织和性能的影响[J].金属热处理，2018，43(12)：95-100.

　　[4] 刘学友，刘英，李卫，等.退火对激光熔覆CoCrFeNiB_(0.5)高熵合金涂层组织与电化学性能的影响[J].热加工工艺，2019，48(8)：197-202，205.

　　[5] 张旭，刘贤哲，袁炜健，等.退火温度对旋涂法制备SnO_2薄膜性能的影响[J].发光学报，2019，40(2)：164-170.

　　[6] 刘后龙，马明玉，刘玲玲，等.热轧板退火工艺对19Cr2Mo1W铁素体不锈钢织构与成形性能的影响[J].金属学报，2019，55(5)：566-574.

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