磁控溅射PbTe纳米材料的制备、表征及特性研究

摘要

铅的硫属化合物(PbS、PbSe和PbTe)是一种窄带隙半导体，广泛应用于红外探测器、二极管激光器以及热电器件等领域。PbTe为一种具有岩盐结构的窄带隙半导体，其带隙宽度为0.31 eV。PbTe的量子效率高，在工作温度范围内比较稳定，并且可以通过改变合金比例来调整峰值波长，使其可以应用于红外光电器件(如红外探测器和中红外量子阱激光器二极管等)。同时其折射率高达5。5，透明波段宽，因而在红外光学薄膜中是重要的高折射率材料。由于PbTe具有很高的热电性能系数，比较高的熔点，化学稳定性好，以及蒸汽压比较低，在中温区(500-900 K)热电材料中是效率最高的。碲化铅在航空航天、环保、医疗、激光技术和太阳能技术等多个高技术领域都有重要应用，作为温差致冷材料能实现小范围无污染致冷，已在高档豪华轿车上获得了实际应用。尤其是随着量子结构太阳能电池研究的深入，PbTe量子点有望极大地提高太阳能电池的转化效率。
　　PbTe薄膜的制备方法有很多种，主要有分子束外延(MBE)、真空蒸发、电化学沉积、脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射法等。在这些方法中磁控溅射法具有高速、低温、成本较低、能实现大面积成膜等优点，其膜厚的可控性和重复性较好，是经常使用的薄膜制备方法之一。
　　本论文介绍了采用射频磁控溅射法制备PbTe纳米薄膜。初步研究了不同的工艺参数对PbTe纳米薄膜结构的影响。所取得的主要研究结果为:
　　1.利用X射线衍射法对射频磁控溅射制备PbTe薄膜进行了分析。得到的主要结论有:
　　(1)在衬底未加热时，溅射制备的薄膜都表现出<100>方向的择优取向性。并且在溅射功率为30W和溅射时间为10min时得到的薄膜的择优取向性最好，晶粒最大。
　　(2)衬底温度对薄膜的结晶性能影响最大。在衬底未加热，衬底温度为100和400℃时，薄膜具有明显的择优取向性，并且在未加衬底温度时薄膜的择优取向性最好。在200℃和300℃时，薄膜没有表现出明显的择优取向性。
　　(3)退火处理可以改善薄膜的结晶性能。从室温到500℃的范围里，退火温度越高，薄膜的<100>织构增强，晶粒增大。
　　2.用X射线衍射和原子力显微镜研究了退火时间和衬底温度对溅射制备PbTe薄膜微观结构的影响。
　　退火时间与衬底温度对磁控溅射制备PbTe薄膜的结构和表面形貌有很大的影响。在400℃退火温度下，退火时间为15 min时得到的薄膜表面最平整。在30W溅射功率下制备PbTe薄膜，在衬底温度为100℃时，薄膜表面最平整，并且XRD分析得到，在未加衬底温度时制备的薄膜的择优取向性最好。
　　3.用射频磁控溅射法和真空退火法制备了PbTe纳米颗粒膜。

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中文摘要

英文摘要

第一章 绪 论

第一节 纳米材料的定义、分类和特征

第二节 PbTe 材料的基本性质及其应用

第三节 PbTe 薄膜的研究现状

第四节 选题依据及研究内容

第二章 实验设备和测试方法

第一节 实验设备

第二节 实验中所需要的主要材料和试剂

第三节 测试表征手段

第三章 RF 磁控溅射法制备 PbTe 薄膜及结构分析

第一节 PbTe 薄膜的制备及测试

第二节 实验结果和讨论

第三节 结论

第四章 PbTe 纳米颗粒膜的制备

第一节 PbTe 纳米颗粒膜的制备

第二节 实验结果和讨论

第五章 结 论

第一节 本论文的主要研究内容及成果

第二节 对今后工作的建议

参考文献

论文作者在学期间发表的学术论文目录

致谢