Structural Characteristics and Photoelectric Properties of Iodine-Doped PbS Films Produced by Chemical Deposition

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Ammonium iodide (NH4I) has been shown to have an inhibiting effect on the growth kinetics of lead sulfide films at initial NH4I concentrations in solution from 0.05 M to 0.40 M. The addition of the inhibitor leads to a decrease in grain size, an increase in the fraction of nanoparticles in the PbS films to ~13%, and an increase in the iodine content of the films to 3.7 at %, depending on growth conditions. X-ray diffraction characterization has shown that the films have a B1 cubic structure (sp. gr. 
). Increasing the inhibitor concentration in solution leads to an increase in the lattice parameter of the lead sulfide from 0.59315(1) to 0.59442(3) nm, due to iodine substitution for sulfur in the PbS crystal lattice. The spectral sensitivity peak and the long-wavelength edge of the photoresponse of the PbS films shift to shorter wavelengths from 2.5 to 2.2 and from 3.0 to 2.8 μm, respectively, which is attributable to the formation of the wide-band-gap phase PbI2. Using low-temperature measurements, the thermal band gap of the films grown in the presence of 0.15 and 0.25 mol/L NH4I has been determined to be 0.46 and 0.51 eV. The respective activation energies for acceptor impurity levels are 0.135 and 0.153 eV. The iodine-doped PbS films offer a relatively high voltage responsivity in the IR spectral region owing to an n- to p-type conversion, in combination with an anomalously short response time.

About the authors

L. N. Maskaeva

Yeltsin Federal University, 620002, Yekaterinburg, Russia; Ural Institute of State Fire Service, Russian Federation Ministry of Emergency Management, 620062, Yekaterinburg, Russia

Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19; Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 28

V. F. Markov

Yeltsin Federal University, 620002, Yekaterinburg, Russia; Ural Institute of State Fire Service, Russian Federation Ministry of Emergency Management, 620062, Yekaterinburg, Russia

Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19; Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 28

V. I. Voronin

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620108, Yekaterinburg, Russia

Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620108, Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18

A. V. Pozdin

Yeltsin Federal University, 620002, Yekaterinburg, Russia

Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

E. S. Borisova

Yeltsin Federal University, 620002, Yekaterinburg, Russia

Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

I. A. Anokhina

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, 620990, Yekaterinburg, Russia

Author for correspondence.
Email: larisamaskaeva@yandex.ru
Россия, 620990, Екатеринбург, ул. Академическая, 20

References

  1. Khanzode P.M., Halge D.I., Narwade V.N., Dadge J.W., Bogle K.A. Highly Photoresponsive Visible Light Photodetector Using Nano PbS Thin Film on Paper // Optik. 2021. V. 226. P. 165933. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165933
  2. Pentia E., Draghici V., Sarau G. Structural, Electrical, and Photoelectrical Properties of CdxPb1−xS Thin Films Prepared by Chemical Bath Deposition // J. Electrochem. Soc. 2004. V. 151. P. G729. https://doi.org/10.1149/1.1800673
  3. Ounissi A., Ouddai N., Achour S. Optical Characterisation of Chemically Deposited Pb(1−x)CdxS Films and a Pb1−xCdxS(n)/Si(p) Heterojunction // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2007. V. 37. P. 241–245. https://doi.org/10.1051/epjap:2007034
  4. Rakovics V. Chemical Bath Deposition of Nanocrystaline CdS and CdPbS Layers and Investigation of Their Photoconductivity // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2005. V. 900. P. 87. https://doi.org/10.1557/PROC-0900-O03-30
  5. Nichols P.L., Liu Z., Yin L., Turkdogan S., Fan F., Ning C.Z. CdxPb1−xS Alloy Nanowires and Heterostructures with Simultaneous Emission in Mid-Infrared and Visible Wavelengths // Nano Lett. 2015. V. 15. P. 909–916. https://doi.org/10.1021/nl503640x
  6. Hernadez-Borja J., Vorobiev Y.V., Ramirez-Bon R. Thin Film Solar Cells of CdS/PbS Chemically Deposited by an Ammonia-Free Process // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2011. V. 95. P. 1882–1888. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.02.012
  7. Jähnig F., Bozyigit D., Yarema O., Wood V. Research Update: Comparison of Salt and Molecular-Based Iodine Treatments of PbS Nanocrystal Solids for Solar Cells // APL Mater. 2015. V. 3. P. 020701. https://doi.org/10.1063/1.4907158
  8. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н. Полупроводниковый чувствительный элемент газоанализатора оксидов азота на основе сульфида свинца // Аналит. химия. 2001. Т. 56. С. 846.
  9. Зарубин И.В., Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Зарубина Н.В., Кузнецов М.В. Химический сенсор на основе гидрохимически осажденной пленки PbS для определения свинца в водных растворах // Журн. аналит. химии. 2017. Т. 72. С. 266–272. https://doi.org/10.7868/S0044450217030197
  10. Sukhovatkin V., Musikhin S., Gorelikov I., Cauchi S., Bakueva L., Kumacheva E., Sargent E.H. Room-Temperature Amplified Spontaneous Emission at 1300 nm in Solution-Processed PbS Quantum-Dot Films // Opt. Lett. 2005. V. 30. P. 171–173. https://doi.org/10.1364/OL.30.000171
  11. Zheng X., Lei H., Yang G., Ke W., Chen Z., Chen C., Ma J., Guo Q., Yao F., Zhang Q., Xu H., Fang G. Enhancing Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells via a High Mobility p-Type PbS Buffer Layer // Nano Energy. 2017. V. 38. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.05.040
  12. Xie L., Zhang T., Zhao Y. Stabilizing the MAPbI3 Perovksite via the in-situ Formed Lead Sulfide Layer for Efficient and Robust Solar Cells // J. Energy Chem. 2020. V. 47. P. 62–65. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.11.023
  13. Sim K., Jun T., Bang J., Kamioka H., Kim J., Hiramatsu H., Hosono H. Performance Boosting Strategy for Perovskite Light-Emitting Diodes // Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. P. 031402. https://doi.org/10.1063/1.5098871
  14. Xu Z., Liu Z., Huang Y., Zheng G., Chen Q., Zhou H. To Probe the Performance of Perovskite Memory Devices: Defects Property and Hysteresis // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 5810–5817. https://doi.org/10.1039/C7TC00266A
  15. Dong Y., Zou Y., Song J., Song X., Zeng H. Recent Progress of Metal Halide Perovskite Photodetectors // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 11369–11394. https://doi.org/10.1039/C7TC03612D
  16. Chen J., Zhou S., Jin S., Li H., Zhai T. Crystal Organometal Halide Perovskites with Promising Optoelectronic Applications // J. Mater. Chem. C. 2016. V. 4. P. 11–27. https://doi.org/10.1039/C5TC03417E
  17. Blount G.H., Schreiber P.J., Smith D.K., Yamada R.T. Variation of the Properties of Chemically Deposited Lead Sulfide Film with the Use of an Oxidant // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. P. 978. https://doi.org/10.1063/1.1662381
  18. Espevik S., Wu C., Bube R.H. Mechanism of Photoconductivity in Chemically Deposited Lead Sulfide Layers // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. P. 3513. https://doi.org/10.1063/1.1660763
  19. Schwarzenbach V.G., Flaschka H. Die Komplexometrische Titration. Berlin: F. Enke, 1965. P. 339.
  20. Douketis C., Wang Z., Haslett T.L., Moskovits M. Fractal Character of Cold-Deposited Silver Films Determined by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 11022. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.11022
  21. Kul M. Characterization of PbS Film Produced by Chemical Bath Deposition at Room Temperature // Eskişehir Technical University // J. Sci. Technol. B. 2019. V. 7. P. 46–58. https://doi.org/10.20290/aubtdb.465445
  22. Ashkhotov O.G., Ashkhotova I.B. Kinetics of Electron-Stimulated Oxygen Adsorption on the Lead Surface // Phys. Solid State. 2012. V. 54. P. 1687–1687. https://doi.org/10.1134/S1063783412080045
  23. Hangyo M., Nakashima S., Hamada Y., Nishio T., Ohno Y. Raman Scattering From the Misfit-Layer Compounds SnNbS3, PbNbS3, and PbTiS3 // Phys. Rev. B. 1993. V. 48. P. 11291. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.11291
  24. Perez R.G., Tellez G.H., Rosas U.P., Torres A.M., Tecorralco J.H., Lima L.C., Moreno O.P. Growth of PbS Nanocrystals Thin Films by Chemical Bath // J. Mater. Sci. Eng. A. 2013. V. 3. P. 1.
  25. Sherwin R., Clark R.J.H., Lauck R., Cardona M. Effect of Isotope Substitution and Doping on the Raman Spectrum of Galena (PbS) // Solid State Commun. 2005. V. 134. P. 565–570. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2005.02.026
  26. Torriani I.S., Tomyiama M., Bilac S., Rego G.B., Cisneros J.I., Ardὔekko Z.P. The Influence of H2O2 on the Crystalline Orientation of Chemically Deposited PbS Thin Films // Thin Solid Films. 1981. P. 77. P. 347–350. https://doi.org/10.1016/0040-6090(81)90328-X
  27. Naşcu C., Vomir V., Pop I., Ionescu V., Grecu R. The Study of Lead Sulphide Films. VI. Influence of Oxidants on the Chemically Deposited PbS Thin Films // Mater. Sci. Eng. B. 1996. V. 41. P. 235–240. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(96)01611-X
  28. Gudaev O.A., Malinovsky V.K., Paul E.E., Treshikhin V.A. The Percolation Conductivity and Characteristic Scale of Potential Inhomogeneity in Polycrystalline Films // Solid State Commun. 1989. V. 72. P. 791–794. https://doi.org/10.1016/0038-1098(89)90910-1
  29. Larramendi E.M., Calzadilla O., Gonzalez-Arias A., Hernandez E., Ruiz-Garcia J. Effect of Surface Structure on Photosensitivity in Chemically Deposited PbS Thin Films // Thin Solid Films. 2001. V. 389. P. 301–306. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)00815-X
  30. Марков В.Ф., Маскаева Л.Н., Иванов П.Н. Гидрохимическое осаждение пленок сульфидов металлов: моделирование и эксперимент. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 218.
  31. Rietveld H.M. FULLPROF: a Program for Rietveld Refinement and Pattern Matching Analysis // J. Appl. Crystallogr. 1969. V. 2. P. 65e71. https://doi.org/10.1107/S0021889869006558
  32. Bush D.L., Post J.E. A Survey of Using Programs for the Rietveld Profile Refinement // Rev. Mineral. 1990. V. 20. P. 369. https://doi.org/10.1180/claymin.1990.025.4.12
  33. Rodriges-Carvajal J. The Complete Program and Documentation can be Obtained // Phys. B. 1993. V. 192. P. 55. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I
  34. Williamson G.K., Hall W.H. X-ray Line Broadening from Filed Aluminium and Wolfram // Acta. Metall. 1953. V. 1. P. 22–31. https://doi.org/10.1016/0001-6160(53)90006-6
  35. Мухамедьяров Р.Д., Стук В.И., Блинов О.Ю. Установка для измерения пороговых параметров фотоприемников // ПТЭ. 1976. Т. 19. С. 234.
  36. Martell A.E., Hancock R.D. Metall Complexes in Aqueous Solutions. N.Y.; London: Plenum Press, 1996. P. 253.
  37. Scanlon W.W. Recent Advances in the Optical and Electronic Properties of PbS, PbSe, PbTe and Their Alloys // J. Phys. Chem. Solid. 1959. V. 8. P. 423–428. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90379-8
  38. Zemmel J.N., Jensen J.D., Schoolar R.B. Electrical and Optical Properties of Epitaxial Films of PbS, PbSe, PbTe, and SnTe // Phys. Rev. A. 1965. V. 140. P. 330. https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A330
  39. Амасев Д.В., Михалевич В.Г., Тамеев А.Р., Саитов Ш.Р., Казанский А.Г. Формирование двухфазной структуры в металлоорганическом перовските CH3NH3PbI3 // ФТП. 2020. Т. 54. С. 543–546. https://doi.org/10.21883/FTP.2020.06.49382.935
  40. Radhakrishnamn S., Kamalasanacn M.N., Mehendru P.C. Sensitization of Photoconductivity in Tetragonal Lead Monoxide // J. Mater. Sci. 1983. V. 18. P. 1912–1916. https://doi.org/10.1007/BF00554982
  41. Keezer R.C., Bowman D.L., Becker J.H. Electrical and Optical Properties of Lead Oxide Single Crystals // J. Appl. Phys. 1968. V. 39. P. 2062. https://doi.org/10.1063/1.1656489
  42. Maskaeva L.N., Vaganova I.V., Markov V.F., Voronin V.I., Belov V.S., Lipina O.A., Mostovshchikova E.V., Miroshnikova I.N. A Nonlinear Evolution of the Structure, Morphology, and Optical Properties of PbS–CdS Films with Cadmium Nitrate in the Reaction Mixture // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. P. 10600–10614. https://doi.org/10.1039/D1CP00775K
  43. Maskaeva L.N., Yurk V.M., Markov V.F., Kuznetsov M.V., Voronin V.I., Muhamediarov R.D., Zyrianov G.V. Composition, Structure and Functional Properties of Nanostructured PbSe Films Deposited Using Different Antioxidants // Mater. Sci. Semicond. Process. 2020. V. 108. P. 104867. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.104867
  44. Butkevich V.G., Bochkov V.D., Globus E.R. Photodetectors and Photodetectors Based on Polycrystalline and Epitaxial Chalcogenides of Lead Layers. // Appl. Phys. 2001. V. 6. P. 66–112.
  45. Кайданов В.И., Немов С.А., Равич Ю.И., Дереза А.Ю. Особенности самокомпенсации донорного действия галогенов в теллуриде свинца // ФТП. 1985. Т. 19. С. 1857–1860.
  46. Житинская М.К., Немов С.А., Прошин В.И. Глубокая самокомпенсация в системе PbSe(Cl, Seизб) // ФТП. 1990. Т. 24. С. 1116–1118.
  47. Немов С.А., Житинская М.К., Прошин В.И. Особенности механизма самокомпенсации легирующего действия примеси хлора в PbSe // ФТП. 1991. Т. 25. С. 114–117.
  48. Неустроев Л.Н., Осипов В.В. О природе аномальных свойств фоточувствительных поликристаллических пленок типа PbS // ФТП. 1987. Т. 21. С. 2159–2163.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (2MB)
Indexing metadata
3.

Download (172KB)
Indexing metadata
4.

Download (166KB)
Indexing metadata
5.

Download (67KB)
Indexing metadata
6.

Download (83KB)
Indexing metadata
7.

Download (95KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Л.Н. Маскаева, В.Ф. Марков, В.И. Воронин, А.В. Поздин, Е.С. Борисова, И.А. Анохина

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».