научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОСЕНСИБИЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК СЕЛЕНИДА СВИНЦА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОСЕНСИБИЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК СЕЛЕНИДА СВИНЦА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 7, с. 14-17

УДК 66.046.4.094.3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОСЕНСИБИЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК СЕЛЕНИДА СВИНЦА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА © 2014 г. Н. А. Третьякова

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,

620002 Екатеринбург, Россия E-mail: n-tretyakova@mail.ru Поступила в редакцию 21.09.2013 г.

Тонкие пленки PbSe, полученные методом гидрохимического синтеза, не обладают фоточувствительностью. Для сенсибилизации пленок к ИК-излучению их термически обработали на воздухе. Изучено влияние условий термообработки на темновое сопротивление и вольтовую чувствительность пленок PbSe. В зависимости от условий термосенсибилизации свойства слоев изменяются в широком диапазоне.

Б01: 10.7868/80207352814070191

ВВЕДЕНИЕ

Селенид свинца (РЪ8е) является одним из основных функциональных материалов среднего ИК-диапазона и может быть использован в теп-лопеленгационной и тепловизионной аппаратуре [1, 2], в оптических газовых сенсорах для контроля концентрации загрязнителей атмосферы [3—5], в термоэлектрических устройствах [6].

Синтез тонких пленок РЪ8е может осуществляться различными способами: термическим испарением в вакууме [7], молекулярной эпитакси-ей [8], электрохимическим осаждением [9]. Однако перспективным способом получения пленок халькогенидов металлов является метод гидрохимического синтеза из водных растворов. Данный метод синтеза успешно используется для получения большого числа соединений на основе халь-когенидов металлов [10—17].

Существенной проблемой является то, что большинство слоев РЪ8е, получаемых по традиционным технологиям осаждения, либо не фоточувствительны, либо обладают слабой чувствительностью к ИК-излучению. Одним из распространенных приемов "очувствления" пленок халькогенидов металлов, полученных различными методами, является термический отжиг.

Влияние термообработки на различные пленки халькогенидов свинца изучалось рядом исследовательских коллективов. В [18] сказано, что активацию слоев РЪ8е проводят при температуре 350°С в течение 10 мин. Кинетика окисления се-ленида свинца указывает на диффузионный механизм движения кислородных ионов в вакантные для селена места с последующим его заме-

щением. Были идентифицированы продукты взаимодействия пленки с кислородом: фазы селенита свинца (2РЪО ■ РЪ8е03) при Т = 500-600°С и оксиселенита (4РЪ0 ■ РЪ8е03) при Т = 700-900°С.

Роль кислорода в "очувствлении" фотопрово-дящих пленок селенида свинца рассмотрена также в работе [19]. В ней по результатам двенадцатичасового отжига при Т = 370°С предложена модель, предполагающая возникновение глубоких локализованных центров при введении кислорода в РЪ8е. Данные центры являются ловушками для неосновных носителей заряда и способствуют увеличению фоточувствительности селенида свинца.

Ряд исследований был посвящен изучению фазовых превращений, происходящих при окислении РЪ8е. Для изучения процессов окисления в образцах селенида свинца в [20] проводилась термообработка при температуре 298, 493, 653 и 773 К в течение 100, 2, 1.5 и 1 ч соответственно. По данным рентгенографических исследований были обнаружены только две фазы: РЪ8е и РЪ8е03.

В [21] концентрационные профили элементов в поликристаллических слоях РЪ8е, отожженных на воздухе при 673 К, были изучены методами ре-зерфордовского обратного рассеяния и ядерных реакций. Было обнаружено, что пленка селенида свинца толщиной ~0.52 мкм окислена до глубины ~0.25 мкм, причем наибольшая степень окисления наблюдается на поверхности, элементный состав которой соответствует формуле РЬ8е03, что согласуется с данными рентгенофазового анализа. Плавное уменьшение концентрации кислорода по толщине пленки было объяснено авторами преоб-

ладанием диффузии по межзеренным границам, согласно модели Харрисона [22]. Сплошной оксид присутствует только в приповерхностном слое, а по мере удаления от поверхности сосредоточивается на границах зерен.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе синтез пленок PbSe осуществлялся методом гидрохимического осаждения из цитрат-но-аммиачных реакционных смесей.

В состав реакционных смесей входили следующие компоненты: ацетат свинца(П), цитрат натрия, гидроксид аммония, селеномочевина, сульфит натрия. Осаждение пленок проводилось при температуре 333 K в течение 60 мин.

Для осаждения слоев PbSe использовались си-талловые подложки. Перед синтезом подложки проходили двухстадийную обработку: механическую очистку пастой гидрокарбоната натрия и последующее травление в растворе Дэша (смесь фтористоводородной, уксусной и азотной кислот в соотношении 1 : 8 : 3).

Синтез пленок осуществлялся в реакторах из молибденового стекла. В реактор с подготовленной реакционной смесью погружалась ситалло-вая подложка, закрепленная во фторопластовом держателе. Для поддержания необходимой температуры использовался термостат марки UltraThermostat U—10.

С целью сенсибилизации полученных пленок PbSe к ИК-излучению проводилась их термическая обработка на воздухе в печи типа СНОЛ 1.6 • 2.5 • 1 (С НОЛ 1.6 • 2.0 • 0.8) в температурном диапазоне 473—673 K. Точность поддержания температуры в зоне размещения слоев составляла ±2 K.

С учетом температурной инерции печи средний темп ее нагрева составлял около 3.5 град/мин, а средний темп остывания — около 1.2—1.3 град/мин в начальный период со снижением его до 0.7— 0.5 град/мин в дальнейшем. Вследствие этого для выхода на рабочую температуру требовалось в среднем около 2 ч, а процесс медленного остывания продолжался 12—14 ч.

Фотоэлектрические характеристики осажденных пленок и их чувствительность к ИК-диапазону спектра измеряли в соответствии с ГОСТ 17782—79 на установке К.54.410 (производство завода "Кварц", г. Черновцы). В качестве источника излучения использовалась модель абсолютно черного тела (АЧТ) при T = 573 K с облученностью в плоскости прибора 9 х 10-5 Вт/см2. Частота модуляции излучения составляла 800 Гц. Напряжение смещения устанавливалось в диапазоне 10—100 В. В качестве пороговых характеристик измеряли темновое сопротивление и вольтовую чувствительность экспериментальных образцов пленок.

Для установления температурной зависимости проводимости пленок была измерена их электропроводность. Измерения проводились в вакуумном криостате с остаточным давлением 10-1 Па в интервале температур 220—295 К в токовом режиме с использованием термоэлектрического охладителя, работающего на эффекте Пельтье. Точность поддержания температуры составляла ±0.1 К. На образцы пленок размером 2 х 5 мм электрохимическим методом с двух сторон наносились никелевые контакты шириной 1.5 мм, к которым с помощью низкотемпературного припоя (8п—Сё—РЬ) припаивались золотые проводники.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При проведении термической обработки пленок РЬ8е испытывались следующие режимы: медленный нагрев образцов в печи до установленной температуры, медленное остывание в печи (режим № 1); медленный нагрев образцов в печи до установленной температуры, выдержка при этой температуре в течение определенного времени, медленное остывание в печи (режим № 2); медленный нагрев образцов в печи до установленной температуры, выдержка при этой температуре, извлечение горячих образцов (режим № 3); установка образцов в уже нагретую печь, медленное остывание в печи (режим № 4).

Проведенные эксперименты показали, что использование при термообработке пленок режима № 1 имеет определенные преимущества, поскольку он является довольно щадящим и в этом случае не требуется высокоточное поддержание температуры на определенном уровне, что может значительно повысить воспроизводимость результатов.

Существенное влияние на свойства термооб-работанных слоев оказывает время нагрева, от которого зависит количество образующихся кислородсодержащих соединений, определяющих фоточувствительные свойства пленок. В связи с этим для сравнения была исследована термическая сенсибилизация слоев в режиме № 2 при относительно низкой температуре в течение увеличенного временного интервала нагрева и кратковременная обработка при высокой температуре. Использование режимов № 3 и № 4 было сопряжено с увеличением уровня шумов в обработанных слоях вследствие растрескивания образцов из-за резкого перепада температур при извлечении нагретых пленок из печи или при их помещении в уже нагретую до высоких температур печь.

Низкотемпературные исследования показали, что характеристики пленок существенным образом зависят от температуры и продолжительности термоообработки. Так, нагрев пленок РЬ8е в температурном диапазоне 473—673 К приводит к росту их темнового сопротивления (рис. 1), что, веро-

16

ТРЕТЬЯКОВА

«

£40

о о я

л ч

в

<ч н о

£

св

<ч о н л ч о

В

30 -

20

10

500 550 600 650 Температура термообработки, мин

Рис. 1. Зависимость вольтовой чувствительности (1) и темнового сопротивления (2) пленки РЪ8е от температуры обработки (режим № 1).

О й

0.0036

0.0040 1/Т, К-1

0.0044

В

^ 30

13

825

н

л

§ 20 т и

£15

о <ч

а

о т

л ч

о В

(а)

-

^ 1

2 в

1 , , г • , , ,

О

25000 *

е, и

20000® ч <ч

15000 ^

р п

100008

е о

о н м е Т

5000

мВ18

.а 16 т

и , л

о 14

0 100 200 300 400 500 600 Время термообработки, мин (б)

я

Ч

В

я т н

о £

я

а

о т

л ч

о В

10 20 30 40 50 60 Время термообработки, мин

Рис. 2. Температурные зависимости электропроводности пленок РЪ8е: 1 — исходной, 2 — после отжига при Т = 573 К (режим № 1), 3 — после отжига при Т = = 673 К (режим № 1).

ятно, связано с появлением оксидных фаз. Важной характеристикой полупроводниковых материалов является их вольтовая чувствительность. При обработке пленок РЪ8е в режиме № 1 максимальные значения вольтовой чувствительности достигаются при обработке в температурном интервале 653—663 К и составляют от 15 до 41 мкВ (рис. 1).

На электрические характеристики полупроводниковых соединений существенное влияние оказывает глубина их охлаждения. На рис. 2 сравнивается электропроводность (а), измеренная при различной температуре слоя, пленок, обработанных в режиме № 1 при 573 и 673 К, и исходной

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком