Fe-Si系非晶半导体薄膜及团簇模型解析

发布时间：2017-10-09 08:15

  本文关键词：Fe-Si系非晶半导体薄膜及团簇模型解析

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【摘要】：半导体型非晶Fe-Si薄膜室温具有与晶体β-FeSi2相似的半导体性能,是一种低耗、高效的光伏材料。它不仅能避免β-FeSi2成分局限、制备困难,还能避免硅基技术应用中晶体β-FeSi2与硅基体膜基界面失配等问题。这种新型半导体材料的制备与硅集成电路技术兼容,简单经济。它的潜在应用能与非晶硅相媲美,是非晶半导体中非常有前景的一种材料,有望应用到硅基光电器件、太阳能电池以及近红外探测器中。非晶中的近程序决定了非晶材料的性能。但目前没有关于非晶Fe100-xSix薄膜成分范围与半导体性能和局域结构对应的系统研究结果,而这恰恰是制备和合理利用非晶Fe100-xSix薄膜的前提。另外,在Fe-Si二元体系中引入其它元素M,不仅可以提高非晶形成能力,还能在保持其近程序的前提下,拓展其成分范围增加其应用的灵活性。因此,本文采用射频磁控溅射方法在Si(100)和Al2O3(0001)基片上制备了Fe100-XSix系(x=30.3～100at.%)非晶薄膜以及Fe-Si-C和Fe-Si-Mn三元非晶薄膜,并进行了薄膜的成分、微结构、带隙测量、退火晶化相、电阻率和热稳定性的分析。本文从实验和理论两方面确定了非晶Fe-Si成分与局域结构的联系,验证了非晶结构模型对非晶Fe100-Six局域结构解析的有效性。实验研究结果表明薄膜性能是分区变化的30.3≤x≤50 at.%无半导体性能区；50x87.5at.%,具有直接带隙半导体性能区；87.5≤x≤100 at.%,具有间接带隙半导体性能区。采用“[团簇](连接原子)1or3”非晶结构模型对薄膜的局域结构进行研究,从非晶Fe-Si相关晶体相ε-FeSi、β-FeSi2、Si的基础团簇[Fe-Si7Fe6]、[Fe-Si8Fe2]和[Si-Si4].出发,也可将成分与基础团簇关系图区分为上述三个主区域。长时间真空退火后吸收系数减小,光学带隙比较稳定(-0.92eV),不随退火时间和成分的变化而显著变化。第三组元Mn和C的加入对非晶薄膜的电阻率和光学带隙的影响很小,但是C的加入明显提高了非晶稳定性,明确了二元非晶薄膜的光学带隙及电阻率基本不受掺杂的影响,稳定性比较好。本研究对于明确非晶Fe100-xSix的局域结构和拓展具有半导体性能的非晶Fe100-xSix薄膜的应用具有实际指导意义。
【关键词】：非晶半导体 Fe-Si薄膜 团簇 结构模型
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 非晶态半导体材料9-10
• 1.2 非晶Fe-Si的性能和结构研究10-12
• 1.2.1 半导体性能10-11
• 1.2.2 非晶Fe-Si的近程序研究11-12
• 1.3 与半导体型非晶Fe-Si相关的晶态p-FeSi212-15
• 1.4 Fe-Si系统的掺杂研究15-16
• 1.5 论文依据和主要内容16-17
• 2 薄膜制备与分析方法17-23
• 2.1 Fe-Si薄膜的制备工艺17-18
• 2.2 Fe-Si-M薄膜的分析18-23
• 2.2.1 薄膜成分分析18-19
• 2.2.2 薄膜微结构分析19
• 2.2.3 薄膜光学性能分析19-21
• 2.2.4 薄膜电阻率分析21
• 2.2.5 薄膜热稳定性分析21-23
• 3 团簇理论23-27
• 3.1 团簇来源23-24
• 3.2 相图介绍24-25
• 3.3 Fe-Si二元非晶团簇模型的建立25-27
• 4 Fe-Si二元实验结果分析27-44
• 4.1 薄膜成分和微结构分析27-29
• 4.2 薄膜带隙特性分析29-31
• 4.3 薄膜电阻率和晶化温度分析31-33
• 4.4 薄膜局域结构的团簇解析33-36
• 4.5 经DSC退火后薄膜的微结构36-40
• 4.6 长时间退火后薄膜的微结构及带隙特性分析40-43
• 4.7 小结43-44
• 5 第三组元M对Fe-Si-M薄膜性能的影响44-56
• 5.1 薄膜成分和微结构分析44-48
• 5.1.1 薄膜成分分析44-45
• 5.1.2 薄膜微结构分析45-48
• 5.2 Fe-Si-M薄膜性能分析48-56
• 5.2.1 基片对薄膜带隙测量的影响48-49
• 5.2.2 Fe-Si-C和Fe-Si-Mn三元非晶薄膜的带隙特性分析49-51
• 5.2.3 薄膜电阻率分析51-52
• 5.2.4 薄膜晶化温度分析52-54
• 5.2.5 三元薄膜与二元薄膜的性能对比54-56
• 结论56-57
• 参考文献57-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

【参考文献】

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1 李志成;;氢氧合成氧化炉管改POCL3掺杂炉管[J];化工管理;2014年14期

2 张春红;闫万s，

本文编号：999099