Структурные и оптические свойства тонких пленок PbS:Fe

Одним из методов управления характеристиками фоточувствительных слоев PbS, которые широкоприменяются в различных областях оптоэлектроники, является введение в реакционную смесьдопирующих добавок. В основном в литературе исследуются нанокристаллические пленки сульфидасвинца и эффект уменьшения размера кристаллитов пленки при введении легирующих солей. Приэтом наблюдаемые изменения полупроводниковых характеристик связывается с размернымэффектом вследствие уменьшения размера частиц до близкого к размеру экситона (~ 20 нм). Внастоящей работе исследовано изменение свойств пленок PbS, полученных методомгидрохимического осаждения, при введении соли железа (II). Добавка в виде FeCl2 выбрана,поскольку введение ионов Fe2+ может не только влиять на ширину запрещенной зоны PbS, но иприводить к появлению ферромагнетизма [1], а значит указать новые пути модификации свойств PbS.Чтобы исключить влияние размерного эффекта синтезированы пленки с размером кристаллитовбольше 100 нм.Пленки PbS:Fe толщиной ~380-400 нм получены гидрохимическим осаждением на стеклянныеподложки из цитратно-аммиачной ванны с добавлением FeCl2 от 0.05 до 5 ммоль/л. Кристаллическуюструктуру изучали методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Дрон-4 с медным анодом вгеометрии Брэгга-Брентано. Оптические исследованияпроводили в ближнем ИК диапазоне (0.3<E<1.2 эВ) сиспользованием призменного спектрометра.По данным XRD анализа введение Fe2+в PbS неизменяет тип кристаллической структуры PbS. Приконцентрации FeCl2 в растворе не более 1 ммоль/лпараметр решетки а увеличивается от 5.9321 Å до 5.9423Å (рис.1а). Поскольку ионный радиус Pb2+ больше, чемFe2+, то наблюдаемое увеличение параметра а можносвязать с внедрением ионов Fe2+ в междоузлия PbS. Приувеличении концентрации FeCl2 в растворе до 5 ммоль/лпараметр а уменьшается до 5.9338 Å, что указывает назамещение свинца железом. В работе [2] обнаруженоуменьшение параметра решетки PbS и формированиетвердого раствора PbS:Fe с ростом содержания Fe2+,однако в работе [2] рассматривались более высокиеуровни легирования, чем у нас.При введении FeCl2 до 5 ммоль/л в спектрахпоглощения наблюдается слабое уменьшение Eg от 0.44 эВдля исходного PbS до 0.42 эВ, а при энергии 0.3 эВпоявляется дополнительная полоса поглощения,интенсивность которой увеличивается с ростомконцентрации допанта. (рис. 1б). Увеличение содержанияFeCl2 до 5 ммоль/л приводит к значительному синемусдвигу края поглощения, Eg увеличивается до 0.58 эВ, и ксдвигу примесной полосы поглощения в сторону большихэнергий. Таким образом, наблюдается корреляция в изменении параметров решетки и оптическихсвойств PbS:Fe вблизи края поглощения.