化学浴沉积法制备不同pH值纳米晶PbSe薄膜的X射线衍射谱线分析及其结构特性研究

研究人员针对纳米半导体材料在光电领域的应用需求，通过化学浴沉积技术（CBD）在不同pH值（10.5-12）条件下制备了纳米晶PbSe薄膜，系统分析了pH值对薄膜晶体结构、微观应变和形貌的影响。研究采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDAX）等技术，发现提高pH值可增大晶粒尺寸（13.6-23.4 nm）、降低位错密度（5.4×1015至2.1×1015 lines/nm2），并通过Williamson-Hall方法量化了应变变化（6.06×10?3至5.21×10?3）。该研究为优化PbSe薄膜性能提供了重要参数依据。

　　

在红外探测器和热电材料领域，纳米晶PbSe薄膜因其窄带隙（0.27 eV）和大激子玻尔半径（46 nm）备受关注。然而，化学浴沉积（Chemical Bath Deposition, CBD）制备过程中，pH值对薄膜晶体质量的调控机制尚不明确，这直接影响其在光电设备中的性能稳定性。

Dhanamanjuri大学物理系的研究团队通过调控反应溶液pH值（10.5-12），在恒定浓度和沉积温度下制备了系列PbSe薄膜。研究采用X射线衍射（XRD）证实所有样品均为立方晶系多晶结构，发现提高pH值会增强（200）晶面择优取向，这与OH^-离子浓度升高促进成核有关。通过Scherrer公式、Monshi-Scherrer模型和Williamson-Hall分析等多方法验证，晶粒尺寸从13.6 nm（pH 10.5）增长至23.4 nm（pH 12），而位错密度降低65%。扫描电镜（SEM）显示薄膜表面致密无孔洞，颗粒尺寸（45.2-66.4 nm）大于XRD结果，证实了二次颗粒聚集现象。能谱分析（EDAX）证实薄膜中Pb/Se原子比接近1:1，且无杂质峰。

研究创新性地采用均匀应力变形模型（USDM）计算出薄膜应力从3.8134×10⁸ Pa（pH 10.5）降至1.6411×10⁸ Pa（pH 12），结合均匀变形能量密度模型（UDEDM）发现能量密度从1.5229×10⁶ kJm^?3降至0.8619×10⁶ kJm^?3，表明高pH值可有效释放晶格畸变能。

关键技术包括：1）通过Nelson-Riley函数校正晶格常数；2）采用Tolansky法测量薄膜厚度（190-235 nm）；3）基于弹性常数（c₁₁=123.75 GPa, c₁₂=19.34 GPa）计算各向异性杨氏模量。

研究结果部分：

1. X射线衍射分析：立方晶系PbSe的（200）晶面衍射峰强度随pH值升高而增强，通过Nelson-Riley外推法获得校正晶格常数6.132-6.136 ?，偏离体材料值（6.134 ?）证实存在晶格应变。

2. 晶体尺寸计算：四种方法一致性验证晶粒尺寸增长趋势，其中Williamson-Hall法测得微观应变从6.06×10^?3降至5.21×10^?3。

3. 形貌表征：SEM显示颗粒形状多样性，高pH样品呈现更明显晶界，EDAX证实Pb含量随pH值微增（53.20%-52.93%）。

该研究明确了pH值通过调控OH^-浓度影响PbSe薄膜结晶动力学的过程，为制备低缺陷密度半导体薄膜提供了工艺窗口。Fenny Kipgen等人在《Next Materials》发表的这项工作，不仅完善了CBD工艺的理论体系，更为PbSe在红外光电和热电转换器件的应用奠定了材料基础。