硫化鋅的性能與制備

1、N型自聚集ZnS薄膜的特征和制備我們已經(jīng)在不同的PH值的條件下用乙酸鋅和硫脲的方法合成了N型ZnS薄膜。通過X射線衍射測得的平均顆粒的大小在3-5nm之間。通過紅外光譜頻帶的多聲子吸收的觀測已證實(shí)硫化鋅的生成，紅外光譜也證實(shí)了硫化鋅絡(luò)合劑的存在。使用自聚集的方法硫化鋅薄膜也沉積在玻璃或者石英底襯上面，同事薄膜的折射率也得以確定。通過Tauc的推導(dǎo)來計(jì)算光學(xué)帶隙，利用改變PH值的方法來發(fā)現(xiàn)光學(xué)帶隙，對(duì)這些薄膜電導(dǎo)率的測量和活化能的計(jì)算已經(jīng)完成。關(guān)鍵詞：: n-ZnS，納米晶體，自聚集，光學(xué)帶隙1 簡介近年來，由于科學(xué)研究對(duì)納米材料的涉及及其應(yīng)用，人們對(duì)納米材料也長生很大的興趣。對(duì)于納米尺寸的材料

2、，量子表面效應(yīng)產(chǎn)生重要影響，從而使物理量發(fā)生急劇的變化。由于半導(dǎo)體材料受到量子表面效應(yīng)的影響而具有的新奇的電學(xué)和光學(xué)特性，使其備受關(guān)注。硫化鋅是一種具有3.65eV帶隙的II-VI族半導(dǎo)體，在光電器件中有非常廣泛的應(yīng)用，比如藍(lán)光發(fā)光二極管，電致發(fā)光器件，光伏細(xì)胞等在顯示器，傳感器和激光器中廣泛應(yīng)用。近幾年，由于其納米級(jí)顆粒性質(zhì)的與眾不同，納米晶體硫化鋅備受關(guān)注，所以研究人員盡力控制晶體大小和形態(tài)以及晶帶的多晶來改變它們的物理性質(zhì)，因此，在制備半導(dǎo)體納米顆粒和薄膜的技術(shù)方面越來越熱門。濕化學(xué)合成法是一種簡單且廉價(jià)的可以替代復(fù)雜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)和其他物理方法的制備方法。那些常應(yīng)用于制備納米材料的

3、一般的物理方法，通常都因?yàn)榉直媛实南拗贫艿街萍s。另一方面，濕化學(xué)合成法提供了一種簡單的方法來制備大小適合分布均勻的納米材料。因此，作者決定通過改變沉積參數(shù)例如PH值等方案來制備N型硫化鋅顆粒或薄膜。2.實(shí)驗(yàn)過程在不同的PH值（=7,10,12）的條件下使用絡(luò)合劑合成硫化鋅納米晶體。將溶解在鋅-醋酸的硫化鋅水溶液，絡(luò)合劑（檸檬酸三鈉），硫脲混合在50ml的去離子水中，攪拌均勻之后升高溫度。最后，固相隔離，通過過濾和熱水浴，獲得殘留物，制取樣品。固體成分就是硫化鋅納米晶體，薄膜已沉積在干凈的玻璃或者石英底襯或者KBr底襯上面，用來測量它們的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在晶體研究已經(jīng)使用2的范圍

4、內(nèi)從100到700的CuK的射線的菲利普斯PE-1610X射線衍射儀。紅外光譜由Perkin-Elmer PE-Rx 1的紅外分光分光計(jì)確定.通過實(shí)驗(yàn)可知該紅外光譜儀的分辨率為1 cm-1。為了研究n型硫化鋅薄膜的光學(xué)特性,對(duì)于所有的樣品采用波長范圍在300-1000nm的雙記錄光束UV/VIS/NIR光譜儀。這些樣品的電學(xué)性能測量在特殊設(shè)計(jì)的金屬樣品架中進(jìn)行.通過這個(gè)儀器保持10-3mbar的真空條件。長為1.0厘米,電極間隙為8 × 10 - 2cm的薄膜平面形狀用來測量其電學(xué)性能,厚電極作為電觸點(diǎn).薄膜厚度大約為615nm,由輪廓儀測量。電導(dǎo)率通過一個(gè)皮安表的示數(shù)來指出,準(zhǔn)確度

5、通常是1pa。3.結(jié)果與討論3.1 光學(xué)性能圖1給出了n型硫化鋅薄膜沉積在玻璃基板(PH=12)的X射射圖案。圖1中的光譜表明衍射峰的2是29.50,48.70,57.50。反射峰的最大峰值位置為2為29.50111處,用另外兩個(gè)稍低的峰48.70220和57.50311來指示111最為首選方向。峰值隨著PH值的下降而增加,觀察其D值與標(biāo)準(zhǔn)D的比較結(jié)果來確定該閃鋅礦立方體硫化鋅薄膜的納米晶體結(jié)構(gòu)。圖(1)應(yīng)變及顆粒的幾何特征由獲得的完整的衍射峰的半值寬度可知。半寬高()通過式(1)可以表示為應(yīng)變()和顆粒尺寸(L)的線性組合 ，cos = 1L + sin (1)圖（2）所示對(duì)于硫化鋅薄膜，在

6、PH為12的條件下，其(cos)/與(sin )/之積是一條直線，由其與縱軸的截距的倒數(shù)可得顆粒的平均尺寸約為4nm,顆粒的直徑為4.6nm時(shí)，PH值從12 變?yōu)?0，為5.4nm時(shí)，PH值從12 變?yōu)?0。 圖（3）所示為底襯是KBr托盤的硫化鋅薄膜紅外光譜，頻譜中714cm-1頻帶證實(shí)了硫化鋅的形成，更長的1396cm-1和1560cm-1 的頻譜證實(shí)了用于實(shí)驗(yàn)的絡(luò)合劑檸檬酸三鈉的存在。前一個(gè)頻帶可以標(biāo)記為對(duì)稱拉伸COO-,后兩個(gè)可以被標(biāo)記為非對(duì)稱COO-15,另一條3322cm-1可以標(biāo)記為拉伸檸檬酸三鈉。上述所提到的頻帶表明硫化鋅納米晶體以檸檬酸三鈉為界,阻止了其大量生成。光學(xué)性能可通

7、過記錄其薄膜的投射光譜來研究，圖（4）給出了N型ZnS薄膜在不同的PH值下的透射數(shù)據(jù)，折射率可以通過式（2）來計(jì)算：n = 2nS(1-T)1/2 + nS(2-T)/T1/2 （2）圖（5）顯示了三個(gè)不同PH值條件的薄膜的折射率與h之間的關(guān)系，從圖中可以清晰地看到N隨著PH的增加而增加，隨著顆粒直徑的減少而增加，n值的增加可能是因?yàn)轭w粒直徑大減小而引起的量子限制效應(yīng)所致。從圖中的數(shù)據(jù)可知，在吸收邊緣，吸收系數(shù)()可由式（3）來計(jì)算：= 1d ln（1T）。 (3)對(duì)于從價(jià)帶到導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)變，可以確定材料的帶隙，和入射光子的能量(h)之間的關(guān)系為：= A(h-Eg)nh (4),A是一個(gè)常量, E

8、g是材料的帶隙，指數(shù)n取決于過度的類型。n的值可以取1/2,2,3/2,3,分別對(duì)應(yīng)于允許直接轉(zhuǎn)換,允許間接轉(zhuǎn)換,禁止禁止直接和間接分別轉(zhuǎn)換。光學(xué)帶隙的值由圖（6）顯示了在不同的PH 下，薄膜(h)2與h之間的關(guān)系。從圖中計(jì)算可得光學(xué)帶隙的準(zhǔn)確值為(3.40 ± 0.01) eV(PH=7),(3.68 ± 0.01) eV (PH=10),(3.80 ± 0.01) eV (PH=12)，光學(xué)帶隙的值隨著PH值的增加而減小。這些光帶隙值在表（1）中，顯然，Eg的觀測值比n型硫化鋅的光學(xué)帶隙值(3.3±0.01)eV更高，這是由于n型硫化鋅晶體的量子效應(yīng)

9、所造成的。3.2電學(xué)特性圖（7）所示為n型硫化鋅薄膜的暗電導(dǎo)與溫度在不同的PH值(12,10,7)的條件下的依賴關(guān)系,該電導(dǎo)率是典型的Arrhenius激活類型:d=0exp(-Ekt) (5)其中E是直流電導(dǎo)的活化能，K是玻爾茲曼常數(shù)。d的值用方程(6)計(jì)算分別為為(1.9±0.02)×10-8 -1cm-1(PH=12), (1.6±0.02)×10-7 -1cm-1(PH=10),(5.7±0.02)×10-6 -1cm(PH=7), d隨著n型硫化鋅顆粒尺寸的增加而增加，隨著PH值的減小，導(dǎo)電性的增加和活化能的減少可能是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，晶粒尺寸的增加以及晶粒表面積的減小和雜質(zhì)的減少等。4.結(jié)論N-ZnS晶體或者薄膜已經(jīng)沉積在不同的PH值的