《Materials Chemistry and Physics》：Effect of hydrogen RF plasma on the PbS thin film properties prepared by chemical bath deposition
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氢射频等离子体处理对PbS薄膜结构、结晶性和表面亲疏性影响研究。采用化学浴沉积法在25-40℃制备PbS薄膜，经H2等离子体处理，XRD显示结晶性未受显著影响，但UV-Vis和PL光谱显示光学特性轻微改变，接触角测量表明薄膜表面由亲水向疏水转变。
Bassam Abdallah | Mohammad Akel
叙利亚原子能委员会物理系，邮政信箱6091，大马士革，叙利亚
摘要
采用化学浴沉积（CBD）方法在不同温度（25、30、35和40℃）下制备了PbS薄膜，并使用玻璃和硅作为基底。随后，在PECVD系统中生成的氢气射频等离子体条件下对PbS薄膜进行了处理。在处理前后，分别利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、X射线衍射（XRD）、接触角（CA）、紫外-可见光透射光谱和光致发光（PL）技术对PbS薄膜的性能进行了分析。XRD结果显示，氢气等离子体处理对PbS薄膜的晶体性质没有明显影响。然而，紫外-可见光透射光谱、光学带隙和光致发光特性在处理后略有变化。本文讨论了射频PECVD等离子体处理对PbS薄膜的影响。接触角测量表明，随着温度的升高，PbS薄膜表面从亲水性转变为疏水性。
引言
由于铅盐的奥格复合因子较低，基于铅盐的室温红外传感技术成为热门研究课题[1]。与传统的PbS光电探测器不同，PbS薄膜在Si基底上构成的光电电压红外传感器通常表现出非线性光电导特性[1]。通过Z扫描技术，使用5 ns激光脉冲在λ=532 nm处对制备的PbS薄膜进行研究，发现非线性吸收现象源于特定的吸收过程[2]。目前，PbS被广泛应用于温度和/或湿度传感器、生物传感器、光敏电阻、太阳能控制涂层以及二极管激光器等领域，这些应用与其表面形态、化学组成和亲疏水性密切相关[3]。采用雾化喷涂法制备了基于异质结构（FTO/CdS/PbS/Ag）的硫化铅（PbS）薄膜，并对其进行了表征[4]；同时，也通过干法刻蚀[5]和射频溅射[6]技术制备了PbS量子点薄膜。通过双探针法测量了PbS薄膜的直流电导率和热电性能，光学研究表明其具有较高的吸收系数（10^4-10^5 cm^-1），带隙能量为0.39 eV[7]。
PbS薄膜的制备方法包括物理方法和化学方法，如喷雾热解[4][7]、溶胶-凝胶法及CBD法[1][8]，以及等离子体方法（如磁控溅射[9]）。CBD法是一种成本低廉且操作简便的技术[10][11]，可以制备氧化物和硫化物金属薄膜[12][13][14][15]，无论是否掺杂[16][17]，并且能够调控和改善薄膜的光学、电学和传感性能[18][19][20]。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术被广泛用于表面改性和刻蚀[21][22]。研究了CF4/H2等离子体条件下PECVD-SiN薄膜的刻蚀速率与基底温度的关系[22]。还通过PECVD方法沉积了聚苯胺薄膜，以探讨苯胺与氩气比例对薄膜性能的影响[23]，分析了气体混合物中苯胺蒸汽分数对等离子体特性及沉积薄膜的影响。PECVD工艺是制备有机和无机薄膜的最有效且多功能的方法之一[24]，适用于多种基底，包括复杂形状的薄膜沉积[25]，以及选择合适的前驱体和沉积过程中的实验条件[26]。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面经O2等离子体处理后反射率降低，而经SF6等离子体处理后则变得高度疏水[27]。近年来，等离子体技术在基底表面处理和薄膜沉积方面得到了广泛应用[27]。采用PECVD技术制备了基于（PbTe）1?x(PbS)x体系的铅基三元硫属化合物薄膜[28]。文献中还研究了氢等离子体对（锡、铅和PbS）薄膜结构与形态以及颗粒尺寸的影响[5][29][30]。
通过刻蚀基底[31]，可以控制薄膜的生长机制、优选取向和表面形态，从而影响其光学性能（例如ZnO[32]）。此外，还研究了在不同时间刻蚀后的ZnO薄膜在Si基底上的接触角差异[33]。Brun等人[5]对PbS量子点薄膜进行了氢等离子体刻蚀实验；另一项研究探讨了H2等离子体处理对场效应迁移率（μFE）等电学性能的影响[34]。
Prasad等人[34]研究了大气压下PECVD制备的非晶InGaZnO薄膜晶体管（TFTs）的栅极偏压行为及稳定性对原位H2等离子体处理的影响[34]。
本研究的目的是探讨氢气射频等离子体处理对CBD法制备的PbS薄膜的形态、结晶度和润湿性的影响。
使用醋酸铅（Pb(CH3COO)2）和硫脲（SC(NH2)2）制备了纳米级PbS薄膜。通过向100毫升烧杯中依次加入5毫升0.5 M醋酸铅、5毫升2.0 M KOH、6毫升1.0 M硫脲和2毫升1.0 M三乙醇胺来合成沉积液。薄膜在25、30、35和40℃下沉积，沉积时间为40分钟，基底分别为纯Si（100）和显微镜玻璃。
使用SEM TSCAN Vega\\XMU设备测量PbS薄膜的厚度和形态，EDX用于确定薄膜的原子组成和化学计量比。此外，还使用了STOE（Stadi P）型XRD仪。利用Park Scientific Instruments公司的AP-0100型原子力显微镜（非接触模式）观察了H2等离子体处理前后的薄膜形态。室温下，使用波长为325 nm的He-Cd激光器和1米长的Spex单色仪进行了光致发光（PL）测量。
使用的PECVD系统（Elletrorava公司制造）配备三个腔室，用于生成氢等离子体（见图1-a）。两个等离子体腔室直径为250毫米，高度为335毫米。采用Turbomolecular泵（EPT300 GCR）将腔室抽至10^-7 Torr的真空度。
PECVD系统具有负载锁定腔室，可将样品从环境压力下转移到主真空处理腔室。在本研究中，使用氢等离子体对PbS薄膜进行了处理。PECVD的操作条件为：氢气流量25 sccm，射频功率15 W，基底温度为室温，气体压力为0.4 Torr，处理时间为10分钟（见图1-b）。
章节摘录
XRD研究
图2显示了在不同温度下沉积的PbS薄膜的XRD图谱。所有具有(200)优先取向的反射峰对应的晶格参数为a = 0.59143 nm，表明PbS具有立方晶体结构。图中还出现了两个峰（111）和（220），其对应的晶格角分别为26.10°和43.22°。
这与PDF数据库（编号78-1054）中的数据一致。47.5°处的小峰是由于不锈钢304支架造成的。
结论
在本研究中，使用PECVD系统产生的(13.6 MHz, 15 W)射频氢等离子体对PbS薄膜进行了处理。氢气流量为25 sccm，气体压力为0.4 Torr，处理时间为10分钟。PbS薄膜通过化学浴沉积法在玻璃和硅基底上制备，沉积温度分别为25℃、30℃、35℃和40℃。XRD结果表明，沉积温度提高了PbS薄膜的结晶性能（晶粒尺寸等）。
CRediT作者贡献声明
Bassam Abdallah： 负责撰写初稿、方法设计和实验研究。
Mohamad Akel： 负责方法设计和实验研究。资助
本研究由叙利亚阿拉伯共和国大马士革的原子能委员会资助。
利益声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢AECS的支持，同时感谢Walaa Zetoun、Ahmad Hossain和Bahaa Alden Alek的帮助。
