本申请公开了一种金属元素掺杂硫化铅材料及其制备方法和在金属元素掺杂硫化铅薄膜中的应用。所述金属元素掺杂硫化铅材料的化学通式为M
【技术实现步骤摘要】
一种金属元素掺杂硫化铅材料及其制备方法和在金属元素掺杂硫化铅薄膜中的应用
[0001]本申请涉及一种金属元素掺杂硫化铅材料及其制备方法和在金属元素掺杂硫化铅薄膜中的应用，属于电子材料
技术介绍
[0002]硫化铅材料是一种适用于红外探测的窄带材料，其禁带宽度为0.41eV，吸收涵盖整个近红外波段，是引用于红外探测的首批材料之一。自上个世纪以来受到了广泛的关注与研究，被广泛应用于安防监控、红外遥感、红外制导和红外追踪等多方面。具有优异的光电性能和广泛的应用前景。
[0003]传统硫化铅探测器主要为光电导结构，化学水浴沉积技术与化学溶液旋涂技术是其常用的制备方法，通过调控反应工艺及后续敏化工艺可得到掺杂浓度低、薄膜质量高的本征硫化铅薄膜，已被广泛的应用与研究。然而，该种结构探测器存在响应速率慢，暗电流大等诸多问题。构建二极管结构是提高其器件性能的最优选择，为此制备高质量金属掺杂硫化铅薄膜对实现稳定二极管器件具有重大意义。
[0004]目前，金属掺杂硫化铅薄膜主要采用真空工艺制备，具有反应复杂，成本高等诸多问题。在化学水浴沉积中实现稳定的PN掺杂较为困难。常见无机盐如Bi(NO3)3、Sb(NO3)3、Sn(NO3)2等，在水溶液体系中易水解产生沉淀物，无法直接采用化学水浴沉积技术实现稳定的掺杂。同时，直接无机盐中杂质含量较多，难以控制掺杂浓度优化薄膜质量。
[0005]所以，对掺杂方法进行改进。采用后处理方法和离子扩散技术，实现稳定的
Ⅴ
A族金属元素掺杂，有利于实现低成本，高质量掺杂薄膜的大规模制备。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种金属掺杂硫化铅材料，在传统化学水浴沉积技术的基础上，通过后处理方法和离子扩散技术，引入
Ⅴ
A族金属卤化物的溶液，实现硫化铅薄膜的
Ⅴ
A族金属元素掺杂及动态调控。整个制备过程工艺简单可控，装置成本低廉。
[0007]本申请公开了一种利用后处理方法制备
Ⅴ
A族金属元素掺杂硫化铅材料，其工艺简单，技术稳定，克服了现有技术无法解决的水溶液中掺杂的问题，实现高质量低成本掺杂硫化铅薄膜的制备，为硫化铅红外光电二极管的制备奠定了基础。
[0008]根据本申请的一个方面，提供了一种金属元素掺杂硫化铅材料，所述金属元素掺杂硫化铅材料的化学通式为M
x
Pb1‑
x
S，其中M选自
Ⅴ
A族金属元素中的至少一种；Pb、S分别表示铅、硫元素；x表示金属掺杂浓度范围，0.0001≤x≤0.01。
[0009]可选地，所述M选自Sb、Bi中的至少一种；
[0010]可选地，当M为Sb和Bi时，Sb元素与Bi元素摩尔量比1：1000～1000：1。
[0011]根据本申请的再一个方面，提供一种所述的金属元素掺杂硫化铅材料的制备方
法，所述方法包括：
[0012](1)制备得到硫化铅材料；
[0013](2)将含有
Ⅴ
A族金属源的溶液与步骤(1)得到的硫化铅材料混合发生反应I、退火处理后得到所述金属元素掺杂硫化铅材料。
[0014]可选地，步骤(1)中，所述硫化铅材料的制备方法包括以下步骤：
[0015](a)将含有碱性物质和铅源的溶液A过滤后得到溶液B；
[0016]所述溶液A的pH值为11.5～13；
[0017](b)将步骤(a)获得的溶液B与含有硫源的溶液C混合发生混合反应II，得到硫化铅材料。
[0018]可选地，所述铅源选自铅可溶性盐；
[0019]所述硫源选自硫脲、硫代硫酸钠中的至少一种；
[0020]所述碱性物质选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂中的至少一种；
[0021]可选地，步骤(a)中，所述溶液A的获得至少包括：将含有碱性物质的溶液和含有铅源的溶液混合，即可得到所述溶液A；
[0022]在所述步骤(a)中，碱性物质和铅源先发生反应，生成氢氧化铅沉淀，随着调节溶液pH，会使沉淀变成络合物，成为澄清的溶液B。
[0023]可选地，所述含有碱性物质的溶液中，所述碱性物质的浓度为0.001～0.1g/mL；
[0024]可选地，所述碱性物质的浓度上限可独立选自0.002g/mL、0.005g/mL、0.01g/mL、0.05g/mL、0.1g/mL；下限可独立选自0.001g/mL、0.002g/mL、0.005g/mL、0.01g/mL、0.05g/mL。
[0025]可选地，所述含有铅源的溶液中，所述铅源的浓度为0.0001～0.5mol/L；
[0026]可选地，所述铅源的浓度上限可独立选自0.0002mol/L、0.0005mol/L、0.001mol/L、0.005mol/L、0.01mol/L、0.018mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L；下限可独立选自0.0001mol/L、0.0002mol/L、0.0005mol/L、0.001mol/L、0.005mol/L、0.01mol/L、0.018mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L。
[0027]可选地，步骤(b)中，所述含有硫源的溶液C中，硫源的浓度为0.5～1.5mol/L；
[0028]可选地，所述硫源的浓度上限可独立选自1mol/L、1.5mol/L；下限可独立选自0.5mol/L、1mol/L。
[0029]可选地，所述铅源和所述硫源的摩尔比为5:1～1:5。
[0030]可选地，所述铅源和所述硫源的摩尔比上限可独立选自5：1、4：1、3：1、2:1、1:1、1:2、1:3；下限可独立选自1：5、1：4、1：3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1。
[0031]可选地，所述
Ⅴ
A族金属源和所述硫源的摩尔比为1:10000～100:1，以
Ⅴ
A族金属元素、硫元素的摩尔量计；
[0032]可选地，所述
Ⅴ
A族金属源和所述硫源的摩尔比上限可独立选自100：1、80：1、50：1、1:1、1:100、1:1000、1:2000、1：5000、1：8000；下限可独立选自1：10000、1：8000、1：5000、1:2000、1:1000、1:100、1:1、50：1、80：1。
[0033]可选地，所述步骤(b)中，所述反应II的条件为：温度为20～90℃，时间为30～720min；
[0034]可选地，所述温度上限可独立选自90℃、85℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、
25℃，下限可独立选20℃、25℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、85℃；
[0035]可选地，所述时间上限可独立选自720min、600min、480min、400min、36本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种金属元素掺杂硫化铅材料，其特征在于，所述金属元素掺杂硫化铅材料的化学通式为M
x
Pb1‑
x
S，其中M选自
Ⅴ
A族金属元素中的至少一种；0.0001≤x≤0.01。2.根据权利要求1所述的金属元素掺杂硫化铅材料，其特征在于，所述M选自Sb、Bi中的至少一种；优选地，当M为Sb和Bi时，Sb元素与Bi元素摩尔量比1：1000～1000：1。3.一种权利要求1～2任一项所述的金属元素掺杂硫化铅材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)制备得到硫化铅材料；(2)将含有
Ⅴ
A族金属源的溶液与步骤(1)得到的硫化铅材料混合发生反应I、退火处理后得到所述金属元素掺杂硫化铅材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硫化铅材料的制备方法包括以下步骤：(a)将含有碱性物质和铅源的溶液A过滤后得到溶液B；所述溶液A的pH值为11.5～13；(b)将步骤(a)获得的溶液B与含有硫源的溶液C混合发生混合发生反应II，得到硫化铅材料；优选地，所述铅源选自铅可溶性盐；所述硫源选自硫脲、硫代硫酸钠中的至少一种；所述碱性物质选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂中的至少一种；优选地，步骤(a)中，所述溶液A的获得至少包括：将含有碱性物质的溶液和含有铅源的溶液混合，即可得到所述溶液A；所述含有碱性物质的溶液中，所述碱性物质的浓度为0.001～0.1g/mL；所述含有铅源的溶液中，所述铅源的浓度为0.0001～0.5mol/L；优选地，步骤(b)中，所述含有硫源的溶液C中，硫源的浓度为0.5～1.5mol/L；优选地，所述铅源和所述硫源的摩尔比为5:1～1:5；所述
Ⅴ
A族金属源和所述硫源的摩尔比为1:10000～100:1；优选地，步骤(b)中，所述反应II的条件为：温度为20～90℃，时间为30～720min。5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐江，葛赐雨，高亮，刘婧，李森，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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