PbSe纳米晶体薄膜的制备、微结构及发光性能的研究.pdf

摘要

半导体纳米晶具有带隙可调性和优异的发光性能，已广泛应用于发光二极管、

太阳能电池和光电探测器等领域。在各种半导体纳米晶中，PbSe因其激子玻尔半

径大(46nm)、介电常数高、载流子迁移率高而备受关注。作为一种IV-VI化合物，

PbSe是一种直接带隙半导体，在室温条件下禁带宽度为0.27eV，且可以通过不同

的元素掺杂或不同的制备技术进行调节。目前，PbSe材料广泛应用于发光二极管、

红外探测器、激光发射器和热电转换器等。在大多数应用中，PbSe材料以薄膜形

式存在。因此，制备高质量的PbSe薄膜是拓展其在光电领域应用的关键。

本文采用磁控溅射镀膜法制备了PbSe纳米晶体薄膜，运用X射线衍射仪、场

发射扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线光电子能谱仪、共聚焦拉曼光谱仪、

紫外可见分光光度计和荧光分光光度计对所制备的薄膜样品进行了微观结构表征

和光学性能分析。研究了溅射功率、沉积时间和退火温度三个主要参数对所制备

的薄膜的结晶质量、表面形貌、化学成分、光学带隙及发光性能的影响。主要研

究内容分为三部分：

(1)研究了溅射功率对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。XRD和XPS

结果表明，随着溅射功率升高，PbSe薄膜结晶质量提高，Pb/Se化学计量比趋于

1:1，光学带隙随薄膜厚度和晶粒尺寸增大而减小。在655nm处观察到一个强发射

峰，其强度与PbSe薄膜的结晶质量密切相关。

(2)研究了沉积时间对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。随沉积时间增

加，PbSe颗粒的形状首先由类球状变为过渡态的棒状或絮状，再转变为三角状，

这与XRD显示的PbSe薄膜的主要生长取向变化一致。Pb/Se化学计量比随沉积时

间增加趋于1:1并稳定。沉积时间延长使薄膜厚度增加，晶粒尺寸增大，导致光学

带隙减小。655nm处的发射峰强度变化趋势与PbSe薄膜的形貌演变完全一致。

(3)研究了退火温度对PbSe薄膜微观结构和发光性质的影响。随退火温度升

高，PbSe薄膜的主要生长方向由(200)变为(111)，再转为(220)，与PbSe颗粒形貌

的变化情况一致。温度升高使Se元素升华，Pb/Se的化学计量比失衡。晶粒尺寸

随温度升高而增大，光学带隙减小。655nm处的发射峰的强度因PbSe薄膜结晶质

量的降低而下降。

关键词：PbSe纳米晶体薄膜，磁控溅射，溅射功率，沉积时间，退火温度

ABSTRACT

Nanocrystallinesemiconductorswithsize-tunablebandgapandexcellent

fluorescenceperformancehavebeenwidelyappliedinthefieldssuchaslight-emitting

diodes,solarcellsandphotodetectors.Amongvariousnanocrystallinesemiconductors,

PbSehasdrawnmuchattentionbecauseofitslargeexcitonBohrradius(46nm),high

dielectricconstantandhighcarriermobility.AsanIV-VIcompound,PbSeisadirect

bandgapsemiconductorwiththebandgapof0.27eVofthebulkmaterialatroom

temperature,whichcanbeadjustedbydifferentelementdopantsordifferentpreparation

techniques.Atpresent,PbSeiswidelyusedinlight-emittingdiode,infrareddetectors,

lasertransmitters,thermo