专利名称：一种致密PbSe多晶薄膜的简单制备方法
技术领域：
本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种能用于近红外光电器件的PbSe多晶薄 膜的制备技术。
背景技术：
PbSe是一种具有立方岩盐结构的窄禁带半导体材料，室温下体材料的带隙宽度为 0. 28eV。它是一种重要的红外本征光电导材料，是制作红外光电导探测器的重要材料之一。 用此材料制作的探测器具有量子效率高、灵敏度高、器件噪声低等优点。PbSe还具有高介电 常数、高载流子迁移率、窄带隙正向温度系数(dEg/dT)等特点，在太阳能电池、热电材料、发 光二极管、激光器等方面也具有重要的应用。而且，PbSe同其它红外材料如CdhHgJe相比 具有易生长、化学成分稳定、均勻等优点。总之，PbSe在现代军用和民用中都显示出了越来 越重要的作用。PbSe块体和薄膜材料都可应用于PbSe光电器件，而且薄膜材料在某些方面显示 出比块体材料更优越的性能。迄今为止，曾有多种方法报导制备了 PbSe薄膜，如采用溶液 法、化学水浴法、电化学沉积法、热壁外延法、化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外延、原 子层外延、脉冲激光沉积等各种方法。但上述有些制备方法需要采用剧毒性甚至爆炸性的 原料，或者有毒性气体产生。有些方法需要采用高真空设备、设备比较复杂、薄膜生长速率 慢，制膜成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种技术简单、成本低廉、绿色环保的制备结 构致密的PbSe多晶薄膜的方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种致密PbSe多晶薄膜的制备方法，所述制备方法是以硒粉为硒源，以PbO为铅 源，以碳粉作为还原剂，在570-1000°C的温度条件下通过热还原法制备得到所述的PbSe多
晶薄膜。本发明采用碳作为还原剂，沉积得到结构致密的PbSe多晶薄膜。若不采用碳作为 还原剂，而只采用硒粉和PbO粉末的混合物，虽然也能得到PbSe多晶薄膜，但薄膜的致密 度、平整度都很差，结晶性能也较差，颗粒大小差别很大。本发明提出沉积反应温度需要在570°C以上，若反应温度低于此温度，化学原料很 难充分反应。进一步，本发明所述的制备方法具体包括以下步骤将沉积薄膜的衬底清洗 干净以备后用；取原料硒粉、PbO粉末、碳粉混合均勻；将带有石英管的管式炉加热至 570-1000°C保温，连续通入惰性气体；将混合均勻的原料置于石英舟中，把石英舟快速推入 管式炉石英管的中间位置，然后把清洗好的衬底放在石英管中气流的下游400-500°C位置 (即接近石英管的末端位置，该位置温度一般需在400-500°C左右)，且使沉积薄膜的衬底表面朝下，根据薄膜厚度的需要，沉积一定时间以后，将衬底从管式炉中取出，置于大气中 冷却至室温，即得所述的致密PbSe多晶薄膜。进一步，Se在高温下较易挥发，为了保证沉积PbSe薄膜的化学计量性，可加入适 当过量的Se粉，本发明优选所述原料硒粉与PbO的投料摩尔比为1. 2-1. 1:1。进一步，本发明优选所述PbO与碳粉的投料摩尔比为1.0-2.0 1。进一步，本发明所述沉积薄膜的衬底的材质可以为硅、蓝宝石、石英或玻璃等。本发明中沉积时间可以薄膜厚度的需要来确定。与现有技术相比本发明所述PbSe多晶薄膜的制备方法操作简单、成本低廉、绿 色环保，制得的PbSe多晶薄膜结晶质量良好，薄膜的致密度、平整度良好，颗粒大小均勻， 为将来批量生产PbSe多晶薄膜提供了一种重要方法。
图1为PbSe多晶薄膜的XRD图。图2为PbSe多晶薄膜的SEM图。图3为PbSe薄膜分别在550°C和575°C沉积时的XRD图，由图可知，反应温度为 550°C时，XRD图上没有明显衍射峰出现，即没有PbSe晶体薄膜沉积到衬底上。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于 此实施例1 首先将Si (100)衬底用标准的硅清洗工艺清洗干净以备后用。称取Se粉0. 79克、 PbO粉末2. 23克、碳粉0. 09克，三者倒于玛瑙研钵中混合均勻。将带有石英管的管式炉加 热至900°C保温。连续通惰性气体10分钟后，将上述混合好的原料放入石英舟中，把石英 舟快速推入管式炉石英管的中间位置。而后把清洗好的Si (100)衬底放在石英管中气流的 下游位置，即接近石英管的末端位置(该位置温度为400-5001左右)，且使31(100)衬底 表面朝下。薄膜沉积10分钟后，将Si (100)衬底从管式炉中取出，置于大气中冷却至室温。 沉积薄膜的XRD图和SEM图分别如图1和图2所示，可见沉积后的薄膜为具有立方岩盐结 构的PbSe薄膜，且结晶质量良好，薄膜微结构致密。实施例2:首先将蓝宝石衬底用丙酮在超声工艺下清洗备用。称取Se粉0. 95克、PbO粉末 2. 23克、碳粉0. 10克，三者倒于玛瑙研钵中混合均勻。将带有石英管的管式炉加热至700°C 保温。连续通惰性气体10分钟后，将上述混合好的原料放入石英舟中，把石英舟快速推入 管式炉石英管的中间位置。而后把清洗好的蓝宝石衬底放在石英管中气流的下游位置，即 接近石英管的末端位置(该位置温度为400-500°C左右)，且使蓝宝石衬底表面朝下。薄膜 沉积30分钟后，将蓝宝石衬底从管式炉中取出，置于大气中冷却至室温。即得到结构致密 的PbSe薄膜。实施例3首先将石英衬底用丙酮在超声工艺下清洗30分钟备用。称取Se粉0. 87克、PbO粉末2. 23克、碳粉0. 12克，三者倒于玛瑙研钵中混合均勻。将带有石英管的管式炉加热至 800°C保温。连续通惰性气体10分钟后，将上述混合好的原料放入石英舟中，把石英舟快速 推入管式炉石英管的中间位置。而后把清洗好的石英衬底放在石英管中气流的下游位置， 即接近石英管的末端位置(该位置温度为400-500°C左右)，且使石英衬底表面朝下。薄膜 沉积20分钟后，将石英衬底从管式炉中取出，置于大气中冷却至室温。即得到结构致密的 PbSe多晶薄膜。实施例4首先将玻璃衬底用丙酮在超声工艺下清洗30分钟备用。称取Se粉0. 87克、PbO 粉末2. 23克、碳粉0. 08克，三者倒于玛瑙研钵中混合均勻。将带有石英管的管式炉加热至 575°C保温。连续通惰性气体10分钟后，将上述混合好的原料放入石英舟中，把石英舟快速 推入管式炉石英管的中间位置。而后把清洗好的玻璃衬底放在石英管中气流的下游位置， 即接近石英管的末端位置(该位置温度为400-500°C左右)，且使玻璃衬底表面朝下。薄膜 沉积1小时后，将玻璃衬底从管式炉中取出，置于大气中冷却至室温。即得到结构致密的 PbSe多晶薄膜。沉积薄膜的XRD图如图3所示。对比实施例将带有石英管的管式炉加热至550°C保温，其他条件同实施例4，所得沉积薄膜的 XRD图如图3所示。上面介绍了本发明的较优实施例，但需要知道本领域的技术人员在不离开本发明 的创意和范围的情况下是能对本发明做出一些修改和变化的，本发明理应包括所有这些修 改和变化，只要它们是在本权利要求书所限定的范围内。
权利要求
一种致密PbSe多晶薄膜的制备方法，其特征在于所述制备方法是以硒粉为硒源，以PbO为铅源，以碳粉作为还原剂，在570-1000℃的温度条件下通过热还原法制备得到所述的PbSe多晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的致密PbSe多晶薄膜的制备方法，其特征在于所述的制备方 法包括以下步骤将沉积薄膜的衬底清洗干净以备后用；取原料硒粉、PbO粉末、碳粉混合 均勻；将带有石英管的管式炉加热至570-1000°C保温，连续通入惰性气体；将混合均勻的 原料置于石英舟中，把石英舟快速推入管式炉石英管的中间位置，然后把清洗好的衬底放 在石英管中气流的下游400-500°C位置，且使沉积薄膜的衬底表面朝下，根据薄膜厚度的需 要，沉积一定时间以后，将衬底从管式炉中取出，置于大气中冷却至室温，即得所述的致密 PbSe多晶薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的致密PbSe多晶薄膜的制备方法，其特征在于所述原料硒 粉与PbO的投料摩尔比为1.2-1. 1 1。
4.根据权利要求1或2所述的致密PbSe多晶薄膜的制备方法，其特征在于所述PbO与 碳粉的投料摩尔比为1.0-2.0 1。
5.根据权利要求2所述的致密PbSe多晶薄膜的制备方法，其特征在于所述沉积薄膜的 衬底的材质为硅、蓝宝石、石英或玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种致密PbSe多晶薄膜的简单制备方法，所述制备方法是以硒粉为硒源，以PbO为铅源，以碳粉作为还原剂，在570-1000℃的温度条件下通过热还原法制备得到所述的PbSe多晶薄膜。本发明所述PbSe多晶薄膜的制备方法操作简单、成本低廉、绿色环保，制得的PbSe多晶薄膜结晶质量良好，薄膜的致密度、平整度良好，颗粒大小均匀，为将来批量生产PbSe多晶薄膜提供了一种重要方法。
文档编号H01L31/0312GK101871097SQ201010197178
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者严金华, 程成, 马德伟 申请人:浙江工业大学