半导体Fe-Si非晶薄膜的成分解析及设计

发布时间：2024-02-25 12:56

　　β-FeSi₂作为直接带隙半导体,具有较大的光吸收系数和较高的理论光(热)电转换效率,是一种理想的光(热)电材料。首先综述了目前β-FeSi₂材料的研究及应用现状,为了回避单相β-FeSi₂制备困难及失配等瓶颈问题,提出了制备具有相似性能的Fe-Si非晶薄膜是有效的解决方法。局域(近程序)结构是决定非晶性能的主要因素,针对非晶薄膜成分、局域结构及性能的对应性研究至关重要。基于此,概述了在"团簇+连接原子"模型指导下,依据实验性能分区和团簇理论解析建立的Fe-Si非晶薄膜成分、局域结构及性能关联;概述了现有晶态和非晶态材料研究中添加元素的原子占位情况,并以此为基础讨论了多组元化对薄膜非晶形成能力及半导体性能的影响。结果证实"团簇+连接原子"模型对Fe-Si非晶薄膜局域结构解析及多组元化成分设计是十分有效的。通过精确成分设计可在较大成分范围内实现薄膜半导体性能可调,为廉价近红外探测和全太阳光谱覆盖提供良好候选材料。最后,展望了Fe-Si非晶薄膜的研究及应用前景。

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【部分图文】：

图1Fe-Si二元平衡相图

人们对于半导体Fe-Si非晶薄膜的研究兴趣源自于晶态β-FeSi2的优异性能。晶态β-FeSi2是一种直接带隙半导体（Eg=0.83～0.87eV)[1-3]，具有较大的光吸收系数（α>105cm-1,1.0eV）和较高的理论光电及热电转换效率[4-8]，并且由于铁、硅元素....

图2改变β-FeSi2应用形态的例子

上述问题使得晶态β-FeSi2的实际光电转换率仅为3.7%[13]（其理论的光电转换率为16%～23%[4]）。通过改良制备方法[9,14-18]，虽然能获得近单相的β-FeSi2，但成本很高，且材料内部存在大量缺陷，特别是单晶β-FeSi2薄膜中还存在无法逾越膜基界面失配的问题....

图5晶化相ε-FeSi、β-FeSi2、Si对应的基础团簇结构[55]

图4β-FeSi2晶胞结构示意图2Fe-Si非晶薄膜的成分解析与性能分区

图6Fe100-xSix非晶薄膜的基础团簇、电阻率、初始晶化温度以及光学带隙与成分的关系[55]

有研究者通过磁控溅射法分别在单晶Si(100)和单晶Al2O3(0001)上制备了系列Fe100-xSix(x=30.3～100）薄膜[55]。成分连续变化的过程中，薄膜带隙宽度、电阻率及初始晶化温度的测试结果明显分为三个区域不连续变化（如图6），非晶性能取决于局域结构，性能突变....

本文编号：3910343