Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 4, стр. 363-373

Структурные характеристики и фотоэлектрические свойства химически осажденных пленок PbS, легированных йодом

Л. Н. Маскаева 12*, В. Ф. Марков 12, В. И. Воронин 3, А. В. Поздин 1, Е. С. Борисова 1, И. А. Анохина 4

1 Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19, Россия

2 Уральский институт ГПС МЧС России
620062 Екатеринбург, ул. Мира, 28, Россия

3 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО Российской академии наук
620108 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18, Россия

4 Институт высокотемпературной электрохимии УрО Российской академии наук
620990 Екатеринбург, ул. Академическая, 20, Россия

* E-mail: larisamaskaeva@yandex.ru

Поступила в редакцию 20.08.2022
После доработки 23.10.2022
Принята к публикации 23.10.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Установлено ингибирующее действие йодида аммония NH4I на кинетику роста пленки сульфида свинца при варьировании его исходной концентрации в растворе в пределах 0.05–0.40 М. Введение ингибитора способствует уменьшению размеров зерен, увеличению до ~13% частиц нанодиапазона и до 3.7 ат. % йода в составе пленок PbS в зависимости от условий синтеза. По результатам рентгеновских исследований установлено, что синтезированные слои сохраняют кубическую структуру B1 (пр. гр. $Fm\bar {3}m$). При повышении концентрации ингибирующей добавки в растворе наблюдается увеличение параметра кристаллической решетки сульфида свинца от 0.59315(1) до 0.59442(3), что связано с замещением серы йодом в кристаллической решетке PbS. Максимум спектральной чувствительности и “правая” граница фотоответа пленок PbS сдвигаются в коротковолновую область – с 2.5 до 2.2 мкм и с 3.0 до 2.8 мкм соответственно, что может быть следствием образования широкозонной фазы PbI2. Низкотемпературными исследованиями пленок, осажденных в присутствии 0.15 и 0.25 моль/л NH4I, определены значения термической ширины запрещенной зоны, составившие 0.46 и 0.51 эВ при энергии активации примесных акцепторных уровней соответственно 0.135 эВ и 0.153 эВ. Легированные йодом пленки PbS имеют относительно высокую вольт-ваттную чувствительность к ИК-излучению за счет инверсии зон проводимости (np) при аномально малых значениях постоянной времени.

Ключевые слова: сульфид свинца, тонкие пленки, химическое осаждение, легирование, йодид аммония, спектральная характеристика, термическая ширина запрещенной зоны, вольт-ваттная чувствительность

ВВЕДЕНИЕ

Сульфид свинца PbS − узкозонный полупроводник (0.41 эВ при 300 K), регистрирующий излучение в инфракрасном диапазоне (0.4–3.0 мкм), до сих пор вызывает повышенный интерес, благодаря его успешному технологическому применению. Перспективность использования сульфида свинца обусловлена его уникальными функциональными свойствами (электрофизическими и фотоэлектрическими), которые можно регулировать, изменяя размер и форму зерен. Это обеспечивает сульфиду свинца потенциальные преимущества в различных приложениях, включая ИК-детекторы [1], сенсоры для определения токсичных соединений в воздухе и тяжелых металлов в водной среде [2, 3], преобразователи солнечной энергии [2, 49] и светоизлучающие диоды [10]. Исследовательские работы по синтезу тонкопленочного сульфида свинца интенсивно развиваются не только из-за указанных приложений, но и ввиду возможности применения в качестве фотоактивного слоя в перовскитных фотоэлектрических элементах на основе CH3NH3PbI3 [11, 12], устройствах на основе pn-переходов, таких как светодиоды [13], компоненты памяти [14] и фотодетекторы [15, 16].

Из известных физических и химических методов получения пленок сульфида свинца по своей простоте, эффективности и возможности дозированного легирования в процессе роста выделяется технология химического осаждения, не требующая высоких температур и давлений.

Обзор литературы показал, что важную роль в приобретении фотопроводящих свойств химически осажденными слоями сульфида свинца с управляемыми характеристиками играют примеси, которые могут входить в решетку сульфида свинца и играть роль доноров или акцепторов. Например, при окислении PbS адсорбированный на микродефектах кристаллитов кислород поглощается зернами слоев за счет химического связывания с образованием кислородсодержащих соединений (2PbO·Pb(CH3COO)2·H2O, PbO, PbSO4, nPbO·PbSO4, PbSO3) [17, 18], выступающих в полупроводнике как акцепторная примесь.

Введение кислородсодержащих примесей в пленку PbS может быть реализовано добавкой в реакционный раствор окислителей [19, 20], например, сульфита натрия Na2SO3 [21], пероксида водорода H2O2 [22, 23], пиросульфита натрия Na2S2O5 [24], смеси пероксодисульфата калия K2S2O8 и H2O2 [25, 26].

Сульфид свинца в соответствии с фазовой диаграммой Pb–S обладает нестехиометрией из-за незначительного избытка атомов свинца по отношению к сере [27] и в связи с этим является полупроводником n-типа. С точки зрения представлений о механизме фотопроводимости в поликристаллических пленках PbS обязательными условиями высокой фоточувствительности являются инверсия типа проводимости от электронной к дырочной, а также высокая степень компенсации примесных уровней в объеме кристаллитов [24, 28].

В подавляющем большинстве публикаций, посвященных синтезу пленочного сульфида свинца методом химического осаждения, вопрос о применении легирующих галогенидсодержащих примесей не обсуждается. В качестве исключения можно указать работу, в которой рассмотрено легирование пленок сульфида свинца бромидом калия KBr и установлено изменение проводимости с n-типа на p-тип [29]. В результате авторами была получена экстремальная зависимость фоточувствительности от концентрации бромида калия. Однако исследователи, несмотря на то что используемая для химического осаждения реакционная смесь содержит значительно превышающую концентрацию окислителя в виде сульфита натрия Na2SO3 (0.08 моль/л) по сравнению с концентрацией бромида калия KBr (1.4–8.4) × 10−4 моль/л, акцентируют внимание на отсутствии брома в пленках PbS, не упоминая об образовании кислородсодержащих соединений. Хотя именно последние, по мнению [21], обязательно образуются в слое в присутствии Na2SO3, обеспечивая изменение типа проводимости пленок PbS. Возникает вопрос, какое именно соединение, KBr или Na2SO3, явилось причиной инверсии зон проводимости в тонкопленочном сульфиде свинца. Неоднозначность установленного в [29] эффекта, а также влияния галогенидсодержащих соединений на морфологию, кристаллические характеристики слоев PbS и величину фоточувствительности тонкопленочных слоев сульфида свинца требует дальнейшего изучения.

Настоящая работа посвящена изучению связи между фотоэлектрическими свойствами, морфологией, составом и кристаллической структурой химически осажденных пленок PbS в присутствии легирующей добавки йодида аммония.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тонкие пленки PbS получали на предварительно обезжиренных подложках из ситалла марки СТ-50-1 и фотостекла химическим осаждением из реакционной смеси, в состав которой входили ацетат свинца Pb(СН3СОО)2, цитрат натрия Na3С6Н5О7, водный раствор аммиака NH4ОН, тиомочевина N2H4CS и варьируемое количество йодида аммония NH4I от 0.05 до 0.40 моль/л, по методике, подробно описанной в [30]. Химическое осаждение проводили в течение 90 мин в термостате марки ТС-ТБ-10 при 353 K с точностью поддержания температуры синтеза ±0.1°C.

Толщину полученных пленок определяли с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4М с погрешностью 10%.

Морфологию и элементный состав пленок изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа Scanning Electron Mucroscope Tescan Vega 4 LMS с энергодисперсионной рентгеновской приставкой (EDS) Oxford Xplore EDS – AZtecOne. Точность определения элементного состава пленок составляла около 10%. Размер частиц определяли с помощью программного продукта Measurer с дальнейшей обработкой данных в пакете прикладных программ Origin.

Рентгеновские исследования осажденных пленок проводили в интервале углов 2θ от 20° до 80° с шагом 0.01° и временем сканирования 10 с в точке на дифрактометре Bruker-8 в CuKα-излучении. Уточнение структурных параметров пленок проводилось методом полнопрофильного анализа Ритвельда [31, 32] с использованием программы Fullprof [33]. Для разделения вкладов размера зерен и деформации в изучаемых пленках в ширину дифракционных отражений использовали уравнение Уильямсона–Холла [34]

(1)
$\beta {\kern 1pt} {\text{cos}}{\kern 1pt} \theta = 0.9\lambda {\text{/}}D + 4\varepsilon {\kern 1pt} {\text{sin}}{\kern 1pt} \theta ,$
где D – средний размер областей когерентного рассеяния (ОКР), принимаемого за средний размер частиц, β – полуширина рефлекса в радианах, λ – длина волны используемого рентгеновского излучения, ε = Δd/d – деформация, d – межплоскостное расстояние.

Относительные спектральные характеристики фоточувствительности снимали с использованием двойного монохроматора SPM-2 на частоте модуляции излучения 400 Гц. Одночастотный измерительный канал представлял собой повторение части измерительного канала с источником смещения установки УФИ-1 [35]. В качестве источника излучения использовалась галогеновая лампа накаливания КГМ-12-100, режим работы которой был стабилизирован по току с точностью ±0.2%. Запись спектров осуществлялась в автоматическом режиме в диапазоне длин волн 0.4–3.0 мкм с шагом 0.05 мкм.

Низкотемпературные исследования пленок проводили в вакууме с остаточным давлением 0.1 Па в интервале 213–333 K с использованием термоэлектрического охладителя, работающего на эффекте Пельтье.

Фоточувствительные свойства пленок изучались с использованием изготовленных на их основе чувствительных элементов (5 × 5 мм2) с электрохимически нанесенными никелевыми омическими контактами. Измерение вольт-ваттной чувствительности синтезированных пленок проводили на специализированном стенде К.54.410 с источником ИК-излучения в виде АЧТ (абсолютно черного тела) с температурой 573 K при облученности чувствительного элемента 1 × 10–4 Вт/см2, частоте модуляции излучения 800 Гц и напряжении смещения 50 В. Фотоотклик регистрировали в виде падения напряжения на согласованном нагрузочном сопротивлении.

Тип проводимости осажденных пленок определяли по знаку термо-ЭДС при создании градиента температур в области зондовых контактов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфология и элементный состав. Объектом исследования служили пленки сульфида свинца, полученные химическим осаждением из аммиачно-цитратной реакционной ванны при варьировании концентрации йодида аммония от 0 до 0.4 моль/л. С повышением концентрации легирующей добавки наблюдалось уменьшение толщины образующегося слоя PbS с ~500 до 130 нм, наглядно демонстрирующее ингибирующее действие NH4I. Это обусловлено уменьшением концентрации свободных ионов Pb2+ в связи с образованием в водном растворе комплексных и малорастворимых соединений свинца (PbI+, PbI2, ${\text{PbI}}_{3}^{ - },$ ${\text{PbI}}_{4}^{{2 - }},$ PbOHI, Pb(OH)2) [36]. Одновременно существует вероятность уменьшения концентрации сульфид-ионов S2−, вызванная замедлением скорости гидролитического разложения тиомочевины при понижении рН реакционной смеси из-за введения NH4I.

По результатам электронно-микроскопических исследований выяснилось значительное влияние вводимой йодсодержащей добавки на морфологию и гранулометрический состав осаждаемых пленок. На рис. 1 приведены электронно-микроскопические изображения слоев PbS, осажденных в течение 90 мин из реакционной ванны в отсутствие добавки NH4I (а) и при ее содержании в растворе 0.05 (б), 0.10 (в), 0.15 (г), 0.2 (д), 0.25 моль/л (е), а также гистограммы распределения частиц по размерам. Хорошо видно, что полученные слои имеют различную микроструктуру, а характер распределения в них зерен по размерам является мономодальным. Пленка индивидуального сульфида свинца (рис. 1а) характеризуется плотноупакованной структурой и состоит из хорошо ограненных кристаллитов со средним размером 400–800 нм (~60%), имеющих преимущественную ориентацию (111). Присутствие 0.05 моль/л NH4I в реакторе не изменяет форму зерен, но приводит к уменьшению их размеров до 200–500 нм (~74% от общего числа) и появлению ~3% частиц нанодиапазона (рис. 1б). Повышение концентрации допанта до 0.10 моль/л сопровождается увеличением числа зерен с меньшим размером (150–350 нм) до 80% и ростом доли наночастиц до 7% (рис. 1в). Дальнейшее увеличение концентрации йодида аммония до 0.15 (г), 0.20 (д) и 0.25 моль/л (е) способствует формированию более однородных тонкопленочных слоев, состоящих на 80, 70 и 55% из зерен средних размеров 150–300 нм и до 10, 11 и 13% наночастиц соответственно.

Рис. 1.

Электронные микрофотографии пленок PbS в отсутствие добавки NH4I (а) и при ее содержании в растворе 0.05 (б), 0.10 (в), 0.15 (г), 0.2 (д), 0.25 моль/л (е), а также гистограммы распределения в них частиц по размерам.

Таким образом, в результате введения в реакционную смесь NH4I происходит изменение формы зерен и уменьшение их размеров с увеличением доли наночастиц и формированием довольно однородной микроструктуры слоя.

Проведенный энергодисперсионный элементный анализ показал, что в тонкопленочных слоях, легированных йодом PbS〈I〉, содержится 48.5–51.7 ат. % свинца и 47.4–47.9 ат. % серы, т.е. присутствует незначительный избыток металла по сравнению с халькогеном, аналогично нелегированной пленке PbS, включающей 52.5 ат. % свинца и 47.5 ат. % серы (табл. 1). При повышении концентрации йодида аммония в растворе с 0.05 до 0.25 моль/л в пленках сульфида свинца наблюдается девятикратное увеличение содержания йода – от 0.4 до 3.7 ат. %. При этом обращает на себя внимание изменение электронного типа проводимости на дырочный начиная с 0.01 моль/л NH4I в растворе.

Таблица 1.  

Результаты элементного анализа и определения типа проводимости пленок PbS〈I〉, осажденных при 353 K из аммиачно-цитратной реакционной смеси в течение 90 мин, в зависимости от концентрации NH4I

Пленка Содержание элемента, ат. % Тип проводимости
Pb ± 0.5 S ± 0.5 I ± 0.3  
PbS 52.5 47.5 n
PbS (0.05 М NH4I) 51.7 48.0 0.4 ± 0.1 n
PbS (0.10 М NH4I) 51.1 47.7 1.2 ± 0.2 p
PbS (0.15 М NH4I) 49.9 47.4 2.7 ± 0.3 p
PbS (0.20 М NH4I) 49.1 47.9 3.0 ± 0.3 p
PbS (0.25 М NH4I) 48.9 47.7 3.4 ± 0.3 p
PbS (0.30 М NH4I) 48.5 47.8 3.7 ± 0.4 n/p

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что по мере повышения концентрации допанта в реакционной смеси происходит увеличение содержания йода при снижении содержания свинца и незначительном колебании концентрации серы в пленках.

Кристаллическая структура. Важнейшими параметрами пленок PbS, определяющими их фоточувствительные свойства при варьировании концентрации йодида аммония в реакционной смеси, наряду с морфологическими особенностями являются их структурные характеристики, т.е. тип кристаллической решетки, размеры зерен, дефектность структуры и внутренние микронапряжения. На рентгенограммах пленок сульфида свинца, легированных йодом PbS〈I〉, приведенных на рис. 2а, присутствует набор дифракционных отражений, характерный для кубической гранецентрированной решетки типа NaCl (B1, пр. гр. $Fm\bar {3}m$). Обращает на себя внимание значительное уменьшение интенсивности рефлексов с повышением концентрации NH4I в реакционной смеси, обусловленное снижением толщины осаждаемых пленок примерно в 4 раза.

Рис. 2.

Экспериментальные рентгенограммы пленок PbS〈I〉, осажденных в присутствии 0.05 (1), 0.10 (2), 0.15 (3), 0.20 (4), 0.25 (5), 0.30 моль/л NH4I (6) (а); экспериментальные (кружки) и расчетные (огибающие линии) рентгенограммы пленок PbS, осажденных в присутствии 0.15 моль/л NH4I (нижняя линия – разность между расчетом и экспериментом, штрихами показаны угловые положения рефлексов фазы B1); на вставке показано смещение отражения от грани (311)В1 в область меньших углов 2θ (б).

Для оценки изменений на рентгенограммах был выполнен полнопрофильный анализ Ритвельда с использованием пакета программ FullProf, что существенно повысило точность и надежность результатов.

На рис. 2б приведен сравнительный анализ экспериментальной рентгенограммы для пленки PbS〈I〉, осажденной на стекле из реакционной смеси, содержащей 0.05 моль/л NH4I, и ее теоретического профиля, рассчитанного по известной модели кристаллической решетки В1 путем варьирования ряда структурных характеристик. Видна хорошая сходимость экспериментальных данных с расчетом, выполненным с учетом всех индивидуальных особенностей структурного состояния пленки PbS〈I〉. Подобный анализ был выполнен для всех рентгенограмм обсуждаемых пленок PbS〈I〉. Его результаты в зависимости от концентрации NH4I в реакционной смеси приведены в табл. 2.

Таблица 2.  

Параметр решетки аВ1, толщина пленок h, количество зерен с преимущественной ориентацией (200)B1, параллельной плоскости подложки (T(200)), среднее количество микродеформаций 〈Δd/d〉 и размер ОКР D в пленках PbS〈I〉, осажденных на подложки из фотостекла

[NH4I], моль/л 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
h, нм 430 330 210 170 160 120
aB1, нм 0.59315(1) 0.59370(1) 0.59410(1) 0.59428(2) 0.59432(2) 0.59442(3)
T(200), % 13.7 22.8 18.0 15.9 13.3 15.8
〈Δd/d× 10–4 13.6 15.7 17.3 18.9 21.2 20.2
D, нм 249 145 114 90 97 65

Смещение рефлекса (311)В1 в область меньших углов 2θ (вставка на рис. 2б) сопровождается увеличением параметра кристаллической решетки aB1 обсуждаемых пленок PbS〈I〉 от 0.59315(1) до 0.59442(3) нм с повышением концентрации йодида аммония в реакционной ванне. Одной из наиболее вероятных причин этого может быть замещение сульфид-ионов S2− радиусом 0.184 нм большими по размеру ионами I (0.220 нм) и образованием PbI2 в кристаллической решетке PbS. Однако рефлексы примесной фазы на рентгенограммах не обнаружены в связи с содержанием этой фазы ниже погрешности измерений (~2%), что не позволило оценить количество PbI2 в структуре сульфида свинца.

Дифракционные отражения, наблюдаемые на рентгенограммах всех пленок, были уширены за счет как уменьшения ОКР, так и наличия микродеформаций в объеме зерен. Разделение размерного и деформационного вкладов в уширение отражений для оценки среднего размера зерен и микродеформаций выполнено с использованием традиционного подхода на примере рентгенограммы пленки PbS〈I〉, полученной из реакционной ванны с содержанием 0.15 моль/л NH4I (рис. 3). На вставке показана зависимость физического уширения от угла в виде β(2θ) cosθ от sinθ. Наклон этих зависимостей указывает на наличие микродеформаций в зернах, а отсекаемый отрезок на оси ординат (sin θ = 0) дает их размер. Наличие микродеформаций обусловлено тем, что ионы йода, замещая серу или внедряясь в кристаллическую решетку PbS, являются дефектами, что способствует возникновению и росту микронапряжений от 13.6 × 10–4 до (20.2–21.2) × 10–4. Одновременно наблюдается монотонное уменьшение ОКР (D) от 249 до 65 нм.

Рис. 3.

Экспериментальные (кружки) и расчетные (огибающие линии) рентгенограммы пленки PbS, осажденной из реакционной смеси с концентрацией NH4I 0.15 моль/л (нижняя линия – разность между расчетом и экспериментом, штрихами показаны угловые положения рефлексов фазы B1); на вставке показана зависимость β(2θ) cosθ от sinθ.

Согласно проведенному анализу, в пленках происходит процесс разбиения объема зерен на ОКР или микродомены с изотропной формой. Их размер, как правило, меньше диаметра зерен, определяемого растровой электронной микроскопией (рис. 1), хотя зависимость от концентрации NH4I в растворе сохраняется. Отметим, что растровой электронной микроскопией определяется латеральный размер зерен, т.е. в плоскости пленки, а рентгеновской дифракцией – размер на основе объемной формы зерен. Исходя из этого размер ОКР ограничен толщиной пленки, тогда как латеральный размер зерна не ограничен, поэтому форму зерен можно представить в виде сплюснутого вдоль вертикальной оси эллипсоида или шара.

Еще одним параметром, влияющим на интенсивность дифракционных отражений, является частичная ориентация зерен плоскостью (200)В1 относительно подложки (текстурированность). Как видно из табл. 2, коэффициент текстурированности T(200) увеличивается от 13.7 до 22.8% и затем монотонно понижается до ∼13–15%.

Таким образом, проведенные исследования показывают существенное изменение морфологии, состава и кристаллической структуры пленок PbS, синтезированных в присутствии различных концентраций йодида аммония.

Фотоэлектрические свойства. Основными параметрами фотодетекторов, определяющими их практическое использование, являются диапазон спектральной чувствительности, вольт-ваттная чувствительность, темновое сопротивление и постоянная времени. В работе была проведена оценка этих характеристик для пленок PbS, осажденных при варьировании концентрации NH4I в реакционном растворе от 0 до 0.4 моль/л, с использованием изготовленных на их основе чувствительных элементов размером 5 × 5 мм2.

На рис. 4 приведены относительные спектральные характеристики фоточувствительности пленок, полученных при содержании в растворе 0.15 и 0.25 моль/л NH4I. По сравнению с нелегированным сульфидом свинца обращает на себя внимание сдвиг в коротковолновую область максимума кривой спектральной чувствительности с 2.5 до 2.3 и 2.2 мкм соответственно и ее “правой” границы с 3.0 до 2.8 мкм с увеличением в растворе концентрации NH4I. Выявленные изменения спектральной характеристики являются следствием влияния вошедших в состав пленок широкозонных примесных фаз PbI2 и PbOHI, косвенным подтверждением присутствия которых является установленное содержание в пленках 2.7 и 3.4 ат. % йода, а также относительно слабая растворимость указанных соединений в водных средах.

Рис. 4.

Спектральные характеристики фоточувствительности пленок PbS, осажденных при введении в реакционную смесь 0.00 (1), 0.15 (2), 0.25 моль/л NH4I (3).

Приведенные температурные зависимости проводимости для пленок PbS〈I〉, осажденных при концентрациях 0.15 и 0.25 моль/л NH4I в реакционной смеси, в интервале 183–303 K, линейны соответственно до температур 217 и 208 K. Выявленные при этих температурах изломы характеризуют энергию активации образовавшихся примесных уровней. С учетом угловых коэффициентов линейных участков собственной и примесной проводимости по формуле ΔEg = 2k tgφ были рассчитаны термическая ширина запрещенной зоны ΔEg и энергия активации примесных уровней. Здесь k – постоянная Больцмана (8.62 × 10−5 эВ/K), а φ − угол наклона прямого участка изменения электропроводности пленки.

Рис. 5.

Температурные зависимости проводимости пленок PbS〈I〉, осажденных из реакционной смеси, содержащей 0.15 (1), 0.25 моль/л NH4I (2) (пленки осаждались при 353 K в течение 90 мин).

Найденные величины ΔEg соответственно составили 0.46 и 0.51 эВ, а рассчитанная величина энергии активации примесных уровней акцепторного характера в случае добавки в реакционную смесь 0.15 NH4I моль/л составила ~0.135 эВ. При увеличении концентрации иодида аммония до 0.25 моль/л величина энергии активации примеси составила ~0.153 эВ. Отличие найденных нами значений ширины запрещенной зоны ΔEg от справочных (0.41–0.42 эВ [37, 38]) связано, как уже упоминалось выше, с присутствием в пленках образовавшихся в процессе синтеза примесных йодид- и, возможно, кислородсодержащих фаз, имеющих широкозонную природу. Так, для PbI2 ширина запрещенной зоны Еg(290 K) составляет 2.4 эВ [39], для PbO, являющегося полупроводником с шириной непрямой запрещенной зоны E, для тетрагональной модификации – 1.9−2.0 эВ, а для орторомбической модификации − 2.4−2.7 эВ [40, 41]. Присутствие кислорода в поверхностном слое было установлено нами ранее [42] оже-спектроскопией при послойном травлении химически осажденных пленок CdS–PbS, а наличие PbI2 доказано рентгенографическими исследованиями в пленке-аналоге PbSe, где его содержание достигало 11–12 ат. % [43]. В нашем случае йодид свинца рентгеновским анализом не обнаружен в связи с его малым количеством.

На рис. 6 приведены зависимости вольт-ваттной чувствительности, темнового сопротивления и постоянной времени полученных пленок от содержания NH4I в реакционной смеси. Видно, что для вольт-ваттной чувствительности отмечается выраженный максимум, составляющий около 1100 В/Вт, соответствующий концентрации йодида аммония, равной 0.25 моль/л. Как известно, увеличение времени жизни основных носителей и повышение фоточувствительности непосредственно связано с неупорядоченностью и искажением кристаллической структуры PbS за счет возникающих в кристаллической решетке микронапряжений при замещении серы йодом, что и наблюдается в нашем случае. В частности, при содержании 0.25 моль/л NH4I в реакционной ванне в пленке были обнаружены максимальные микронапряжения (21.2 × 10−4).

Рис. 6.

Зависимости вольт-ваттной чувствительности SU (1), темнового сопротивления Rт (2) и постоянной времени τ (3) пленок PbS〈I〉 от концентрации NH4I в реакционной смеси.

В известной нам литературе информация о значительном сенсибилизирующем действии введенной в раствор добавки йодидной соли на химически осажденные пленки сульфида свинца не найдена. Обращают на себя внимание также относительно низкие значения постоянной времени полученных пленок (≤100 мкс), учитывая то, что для коммерческих образцов ИК-детекторов на основе PbS этот параметр в несколько раз выше и обычно составляет от 200 до 400 мкс [44].

Анализируя полученные результаты, можно предположить, что выявленные особенности фотоэлектрических свойств пленок сульфида свинца, допированных йодсодержащей добавкой, связаны с изменениями концентрации и времени жизни основных носителей заряда в полупроводниковом слое. Как уже отмечалось выше, нелегированные осажденные пленки PbS имеют n-тип проводимости из-за избытка атомов свинца. Осаждение пленок PbS из растворов, содержащих NH4I, изменяет тип их проводимости с n на p. Попробуем дать этому объяснение.

Из литературы известно явление самокомпенсации носителей, выявленное у халькогенидов свинца при их легировании галогенами [4347]. Количественная интерпретация этого явления в настоящее время отсутствует. Вероятно, при легирующем действии галогенидов может проявляться отличающийся от описанных в литературе механизм фотосенсибилизации. До настоящего времени применительно к химически осажденным пленкам PbS этот механизм не рассматривался, не оценивалась также и его связь с фотоэлектрическими характеристиками. Однако полученные нами результаты по сенсибилизирующему действию йодид-ионов находят наиболее убедительное объяснение именно с этих позиций. Авторы работы [45], например, при введении в кристалл PbTe электроактивной примеси явление самокомпенсации объясняют значительным ростом концентрации собственных дефектов (например, вакансий свинца), компенсирующих донорное действие вакансий примеси. В работах [46, 47] продемонстрирована глубокая компенсация PbSе на примере его легирования хлором.

В нашем случае самокомпенсационный механизм в пленках PbS при допировании их йодом реализуется, по-видимому, за счет образования точечных дефектов в виде примеси внедрения в межузельном пространстве и создания комплексов вакансия–примесь. Йодид-ионы до достижения ими определенной концентрации в слое, учитывая для нелегированных образцов PbS n-тип проводимости, будут занимать положения атомов замещения, ликвидируя имеющиеся вакансии сульфидной серы. Увеличение их концентрации будет сопровождаться в т. ч. внедрением в межузельное пространство и приводить к образованию в кристаллической фазе комплексов йодид-ионов со свинцом Pb−I2, фактически создающих вакансии свинца. Их образование объясняется наличием в указанных комплексах двух анионов на один катион металла в отличие от ионного соотношения катионов и анионов в основной матрице. В результате допированные йодид-ионами пленки PbS приобретают p-тип проводимости при некотором избытке дырок. Вероятно, в этом случае происходит оптимизация концентрации носителей заряда в полупроводниковом слое, обеспечивающая относительно высокие значения фотоответа синтезированных пленок [48].

Таким образом, благодаря введению йодида аммония в реакционную смесь при химическом осаждении PbS без дополнительных операций сенсибилизации возможно получение пленок сульфида свинца с относительно высокими фотоэлектрическими характеристиками и их регулирование в определенных пределах, что обеспечивает создание высокоэффективных детекторов ИК-излучения для решения конкретных практических задач. Кроме того, химически осажденные пленки сульфида свинца, легированные йодом, могут быть использованы в качестве защитного слоя для перовскитных структур, разрабатываемых для преобразователей солнечного излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Химическим осаждением из цитратно-аммиачной реакционной ванны на ситалле и фотостекле в присутствии 0.0–0.4 моль/л йодида аммония синтезированы пленки PbS〈I〉 толщиной до ~500 нм. Показано, что введение в реакционную смесь NH4I приводит к изменению формы зерен с увеличением содержания наночастиц до 13%. EDX-анализом установлено содержание 48.5–51.7 ат. % свинца, 47.4–47.9 ат. % серы и до 3.7 ат. % иода в слоях. PbS〈I〉 обладают кубической решеткой B1 (пр. гр. $Fm\bar {3}m$).

С повышением концентрации NH4I в растворе наблюдаются снижение интенсивности рефлексов и увеличение параметра решетки с 0.59315(1) до 0.59442(3) нм при уменьшении ОКР с 249 до 65 нм. С увеличением добавки NH4I в растворе происходит уменьшение относительной интенсивности пиков излучения со снижением доли кристаллической фазы.

Осажденные пленки PbS〈I〉 не требуют дополнительных операций фотосенсибилизации и отличаются относительно высокой (до 1100 В/Вт) вольт-ваттной чувствительностью к ИК-излучению при аномально низких значениях постоянной времени (τ ≤ 100 мкс).

Низкотемпературными исследованиями электропроводности пленок установлены значения термической ширины запрещенной зоны 0.46 и 0.51 эВ в присутствии 0.15 и 0.25 моль/л NH4I при энергии активации примесных акцепторных уровней соответственно 0.135 и 0.153 эВ. Увеличение добавки иодида аммония в реакционную смесь приводит к сдвигу максимума и “правой” границы фотоответа спектральных характеристик пленок в коротковолновую область спектра на 0.2–0.3 мкм, что является следствием влияния присутствующих в пленках йодид- и кислородсодержащих широкозонных фаз.

Список литературы

  1. Khanzode P.M., Halge D.I., Narwade V.N., Dadge J.W., Bogle K.A. Highly Photoresponsive Visible Light Photodetector Using Nano PbS Thin Film on Paper // Optik. 2021. V. 226. P. 165933. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165933

  2. Pentia E., Draghici V., Sarau G. Structural, Electrical, and Photoelectrical Properties of CdxPb1−xS Thin Films Prepared by Chemical Bath Deposition // J. Electrochem. Soc. 2004. V. 151. P. G729. https://doi.org/10.1149/1.1800673

  3. Ounissi A., Ouddai N., Achour S. Optical Characterisation of Chemically Deposited Pb(1−x)CdxS Films and a Pb1−xCdxS(n)/Si(p) Heterojunction // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2007. V. 37. P. 241–245. https://doi.org/10.1051/epjap:2007034

  4. Rakovics V. Chemical Bath Deposition of Nanocrystaline CdS and CdPbS Layers and Investigation of Their Photoconductivity // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2005. V. 900. P. 87. https://doi.org/10.1557/PROC-0900-O03-30

  5. Nichols P.L., Liu Z., Yin L., Turkdogan S., Fan F., Ning C.Z. CdxPb1−xS  Alloy Nanowires and Heterostructures with Simultaneous Emission in Mid-Infrared and Visible Wavelengths // Nano Lett. 2015. V. 15. P. 909–916. https://doi.org/10.1021/nl503640x

  6. Hernadez-Borja J., Vorobiev Y.V., Ramirez-Bon R. Thin Film Solar Cells of CdS/PbS Chemically Deposited by an Ammonia-Free Process // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2011. V. 95. P. 1882–1888. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.02.012

  7. Jähnig F., Bozyigit D., Yarema O., Wood V. Research Update: Comparison of Salt and Molecular-Based Iodine Treatments of PbS Nanocrystal Solids for Solar Cells // APL Mater. 2015. V. 3. P. 020701. https://doi.org/10.1063/1.4907158

  8. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н. Полупроводниковый чувствительный элемент газоанализатора оксидов азота на основе сульфида свинца // Аналит. химия. 2001. Т. 56. С. 846.

  9. Зарубин И.В., Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Зарубина Н.В., Кузнецов М.В. Химический сенсор на основе гидрохимически осажденной пленки PbS для определения свинца в водных растворах // Журн. аналит. химии. 2017. Т. 72. С. 266–272. https://doi.org/10.7868/S0044450217030197

  10. Sukhovatkin V., Musikhin S., Gorelikov I., Cauchi S., Bakueva L., Kumacheva E., Sargent E.H. Room-Temperature Amplified Spontaneous Emission at 1300 nm in Solution-Processed PbS Quantum-Dot Films // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 171–173. https://doi.org/10.1364/OL.30.000171

  11. Zheng X., Lei H., Yang G., Ke W., Chen Z., Chen C., Ma J., Guo Q., Yao F., Zhang Q., Xu H., Fang G. Enhancing Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells via a High Mobility p-Type PbS Buffer Layer // Nano Energy. 2017. V. 38. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.05.040

  12. Xie L., Zhang T., Zhao Y. Stabilizing the MAPbI3 Perovksite via the in-situ Formed Lead Sulfide Layer for Efficient and Robust Solar Cells // J. Energy Chem. 2020. V. 47. P. 62–65. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.11.023

  13. Sim K., Jun T., Bang J., Kamioka H., Kim J., Hiramatsu H., Hosono H. Performance Boosting Strategy for Perovskite Light-Emitting Diodes // Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. P. 031402. https://doi.org/10.1063/1.5098871

  14. Xu Z., Liu Z., Huang Y., Zheng G., Chen Q., Zhou H. To Probe the Performance of Perovskite Memory Devices: Defects Property and Hysteresis // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 5810–5817. https://doi.org/10.1039/C7TC00266A

  15. Dong Y., Zou Y., Song J., Song X., Zeng H. Recent Progress of Metal Halide Perovskite Photodetectors // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 11369–11394. https://doi.org/10.1039/C7TC03612D

  16. Chen J., Zhou S., Jin S., Li H., Zhai T. Crystal Organometal Halide Perovskites with Promising Optoelectronic Applications // J. Mater. Chem. C. 2016. V. 4. P. 11–27. https://doi.org/10.1039/C5TC03417E

  17. Blount G.H., Schreiber P.J., Smith D.K., Yamada R.T. Variation of the Properties of Chemically Deposited Lead Sulfide Film with the Use of an Oxidant // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. P. 978. https://doi.org/10.1063/1.1662381

  18. Espevik S., Wu C., Bube R.H. Mechanism of Photoconductivity in Chemically Deposited Lead Sulfide Layers // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. P. 3513. https://doi.org/10.1063/1.1660763

  19. Schwarzenbach V.G., Flaschka H. Die Komplexometrische Titration. Berlin: F. Enke, 1965. P. 339.

  20. Douketis C., Wang Z., Haslett T.L., Moskovits M. Fractal Character of Cold-Deposited Silver Films Determined by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 11022. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.11022

  21. Kul M. Characterization of PbS Film Produced by Chemical Bath Deposition at Room Temperature // Eskişehir Technical University // J. Sci. Technol. B. 2019. V. 7. P. 46–58. https://doi.org/10.20290/aubtdb.465445

  22. Ashkhotov O.G., Ashkhotova I.B. Kinetics of Electron-Stimulated Oxygen Adsorption on the Lead Surface // Phys. Solid State. 2012. V. 54. P. 1687–1687. https://doi.org/10.1134/S1063783412080045

  23. Hangyo M., Nakashima S., Hamada Y., Nishio T., Ohno Y. Raman Scattering From the Misfit-Layer Compounds SnNbS3, PbNbS3, and PbTiS3 // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. P. 11291. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.11291

  24. Perez R.G., Tellez G.H., Rosas U.P., Torres A.M., Tecorralco J.H., Lima L.C., Moreno O.P. Growth of PbS Nanocrystals Thin Films by Chemical Bath // J. Mater. Sci. Eng. A. 2013. V. 3. P. 1.

  25. Sherwin R., Clark R.J.H., Lauck R., Cardona M. Effect of Isotope Substitution and Doping on the Raman Spectrum of Galena (PbS) // Solid State Commun. 2005. V. 134. P. 565–570. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2005.02.026

  26. Torriani I.S., Tomyiama M., Bilac S., Rego G.B., Cisneros J.I., Ardὔekko Z.P. The Influence of H2O2 on the Crystalline Orientation of Chemically Deposited PbS Thin Films // Thin Solid Films. 1981. P. 77. P. 347–350. https://doi.org/10.1016/0040-6090(81)90328-X

  27. Naşcu C., Vomir V., Pop I., Ionescu V., Grecu R. The Study of Lead Sulphide Films. VI. Influence of Oxidants on the Chemically Deposited PbS Thin Films // Mater. Sci. Eng. B. 1996. V. 41. P. 235–240. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(96)01611-X

  28. Gudaev O.A., Malinovsky V.K., Paul E.E., Treshikhin V.A. The Percolation Conductivity and Characteristic Scale of Potential Inhomogeneity in Polycrystalline Films // Solid State Commun. 1989. V. 72. P. 791–794. https://doi.org/10.1016/0038-1098(89)90910-1

  29. Larramendi E.M., Calzadilla O., Gonzalez-Arias A., Hernandez E., Ruiz-Garcia J. Effect of Surface Structure on Photosensitivity in Chemically Deposited PbS Thin Films // Thin Solid Films. 2001. V. 389. P. 301–306. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)00815-X

  30. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Иванов П.Н. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 218.

  31. Rietveld H.M. FULLPROF: a Program for Rietveld Refinement and Pattern Matching Analysis // J. Appl. Crystallogr. 1969. V. 2. P. 65e71. https://doi.org/10.1107/S0021889869006558

  32. Bush D.L., Post J.E. A Survey of Using Programs for the Rietveld Profile Refinement // Rev. Mineral. 1990. V. 20. P. 369. https://doi.org/10.1180/claymin.1990.025.4.12

  33. Rodriges-Carvajal J. The Complete Program and Documentation can be Obtained // Phys. B. 1993. V. 192. P. 55. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I

  34. Williamson G.K., Hall W.H. X-ray Line Broadening from Filed Aluminium and Wolfram // Acta. Metall. 1953. V. 1. P. 22–31. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90006-6

  35. Мухамедьяров Р.Д., Стук В.И., Блинов О.Ю. Установка для измерения пороговых параметров фотоприемников // ПТЭ. 1976. Т. 19. С. 234.

  36. Martell A.E., Hancock R.D. Metall Complexes in Aqueous Solutions. N.Y.; London: Plenum Press, 1996. P. 253.

  37. Scanlon W.W. Recent Advances in the Optical and Electronic Properties of PbS, PbSe, PbTe and Their Alloys // J. Phys. Chem. Solid. 1959. V. 8. P. 423–428. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90379-8

  38. Zemmel J.N., Jensen J.D., Schoolar R.B. Electrical and Optical Properties of Epitaxial Films of PbS, PbSe, PbTe, and SnTe // Phys. Rev. A. 1965. V. 140. P. 330. https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A330

  39. Амасев Д.В., Михалевич В.Г., Тамеев А.Р., Саитов Ш.Р., Казанский А.Г. Формирование двухфазной структуры в металлоорганическом перовските CH3NH3PbI3 // ФТП. 2020. Т. 54. С. 543–546. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.06.49382.935

  40. Radhakrishnamn S., Kamalasanacn M.N., Mehendru P.C. Sensitization of Photoconductivity in Tetragonal Lead Monoxide // J. Mater. Sci. 1983. V. 18. P. 1912–1916. https://doi.org/10.1007/BF00554982

  41. Keezer R.C., Bowman D.L., Becker J.H. Electrical and Optical Properties of Lead Oxide Single Crystals // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. P. 2062. https://doi.org/10.1063/1.1656489

  42. Maskaeva L.N., Vaganova I.V., Markov V.F., Voronin V.I., Belov V.S., Lipina O.A., Mostovshchikova E.V., Miroshnikova I.N. A Nonlinear Evolution of the Structure, Morphology, and Optical Properties of PbS–CdS Films with Cadmium Nitrate in the Reaction Mixture // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. P. 10600–10614. https://doi.org/10.1039/D1CP00775K

  43. Maskaeva L.N., Yurk V.M., Markov V.F., Kuznetsov M.V., Voronin V.I., Muhamediarov R.D., Zyrianov G.V. Composition, Structure and Functional Properties of Nanostructured PbSe Films Deposited Using Different Antioxidants // Mater. Sci. Semicond. Process. 2020. V. 108. P. 104867. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104867

  44. Butkevich V.G., Bochkov V.D., Globus E.R. Photodetectors and Photodetectors Based on Polycrystalline and Epitaxial Chalcogenides of Lead Layers. // Appl. Phys. 2001. V. 6. P. 66–112.

  45. Кайданов В.И., Немов С.А., Равич Ю.И., Дереза А.Ю. Особенности самокомпенсации донорного действия галогенов в теллуриде свинца // ФТП. 1985. Т. 19. С. 1857–1860.

  46. Житинская М.К., Немов С.А., Прошин В.И. Глубокая самокомпенсация в системе PbSe(Cl, Seизб) // ФТП. 1990. Т. 24. С. 1116–1118.

  47. Немов С.А., Житинская М.К., Прошин В.И. Особенности механизма самокомпенсации легирующего действия примеси хлора в PbSe // ФТП. 1991. Т. 25. С. 114–117.

  48. Неустроев Л.Н., Осипов В.В. О природе аномальных свойств фоточувствительных поликристаллических пленок типа PbS // ФТП. 1987. Т. 21. С. 2159–2163.

Дополнительные материалы отсутствуют.