真空热蒸发制备CuI薄膜及异质结探测器件研究
发布时间：2021-10-02 06:36
碘化亚铜（CuI）是一种p型直接宽带隙无机半导体材料,禁带宽度～3.1eV,具有很大的激子束缚能（62meV）,较高的载流子浓度和空穴迁移率,而且CuI储量丰富、价格便宜、无毒无污染,在可见光波段具有很高的透过率,成为短波长光电器件领域的研究热点。而要利用其制备高性能光电子器件,则需要高质量的CuI薄膜。虽然制备CuI薄膜的方法众多,但薄膜质量普遍较低。本文利用真空热蒸发镀膜技术,经过优化生长工艺,制备出结晶质量较高的CuI薄膜,研究了其光电特性研究,并与超高真空脉冲激光沉积技术（PLD）制备的ZnO薄膜和高压PLD技术制备的ZnO纳米线阵列以及水热合成法制备的高质量TiO2纳米棒分别构造了p-CuI/n-ZnO薄膜异质结、p-CuI/n-Zn O纳米线异质结以及p-CuI/n-TiO2纳米棒异质紫外探测器件,并分别研究了三种探测器的光电特性。本文主要进行了如下研究:1.利用高真空热蒸发技术制备CuI薄膜并优化制备工艺。研究了CuI薄膜的形貌、结构和发光特性。XRD测试结果显示,CuI薄膜为具有高度（111）晶相择优生长的多晶γ-CuI,并且...
【文章来源】：鲁东大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碘化亚铜的三种晶体结构示意图(紫色为I，黄色为Cu)
鲁东大学硕士学位论文3图1.2室温下γ-CuI的能带结构[6]由于γ-CuI的带隙较宽，不吸收400-1000nm的波段光子能量，所以在此波段内γ-CuI是透明的，其可见光透过率一般在60%左右，极少能达到90%以上。主要是因为生长的γ-CuI结晶质量不够好，在薄膜表面存在大量的折射和反射。另外，γ-CuI具有很高的激子束缚能（62meV）[52]，所以激子会在直接带隙处吸收光子能量，产生410nm左右的光致发光峰。2004年，上海同济大学的顾牧教授报道，铜空位缺陷（VCu），碘空位缺陷（VI），碘间隙缺陷（Ii）和铜间隙缺陷（Cui）是CuI禁带中会存在的四种主要缺陷[47]。2013年，德国莱比锡大学的MariusGrundmann报道了CuI晶体中不同缺陷的生成焓（ΔH）和单粒子跃迁能级（ε）的数值[6]，如下表1.1所示。表1.1γ-CuI的本征缺陷生成焓和跃迁能级[6]缺陷类型生成焓ΔH（eV）跃迁能级ε（eV）铜空位缺陷（VCu）0.620.086碘空位缺陷（VI）3.680.62碘间隙缺陷（Ii）2.970.085铜间隙缺陷（Cui）2.350.036由表1.1可以看出，在γ-CuI的本征缺陷生成焓中，形成铜空位缺陷（VCu）能量最低，所以铜空位本征缺陷最容易产生，使γ-CuI表现出p型半导体特性[53]。1.1.3CuI的制备方法截至目前，已经有多种技术用于制备CuI。制备技术主要分为化学法和物理法，其中化学方法包括铜膜碘化法[28-33]（碘蒸气碘化和碘溶液碘化等方法）、连续离子吸附法[39-40]（SILAR）、化学浴沉积法[54]（CBD）、电化学沉积法[55]（ECD）和水热合成法[30,56]等；物理方法则主要有脉冲激光沉积法[34-35]、溅射法[41]、真空热蒸发技术[24,36-38]等。
真空热蒸发制备CuI薄膜及异质结探测器研究4(1)铜膜碘化法铜膜碘化法主要分为两个过程：首先是制备铜膜，然后利用碘蒸汽与铜膜发生化学反应而生成CuI。一般采用电子束蒸发技术和真空热蒸发法制备铜膜，之后将铜膜与碘单质置于密闭容器中，通过加热使碘升华与铜膜发生如下反应，生成CuI薄膜。22Cu+I2CuI············································(1-1)该方法操作简单，对实验条件要求较低。但利用该方法生长的CuI薄膜表面粗糙度普遍较高，光电性能较差。2013年，德国莱比锡大学的MariusGrundmann小组利用此方法制备出的导电性很好的γ-CuI薄膜[28]，如图1.3（a）所示，其电阻率为0.2Ωcm，载流子浓度为5×1018cm-3，霍尔迁移率为6cm2V-1s-1，但是其粗糙度高达81nm，致使500nm厚CuI薄膜的透过率仅为49%（400nm-800nm）。2016年，鲁东大学的林国琛等人用同样方法制备了γ-CuI薄膜，他们测得γ-CuI薄膜的透过率达到60%以上[29]，如图1.3（b）所示。图1.3(a)铜膜碘化法流程示意图[28]；(b)CuI薄膜(80nm铜膜)的透过光谱[29](2)脉冲激光沉积法（PLD）PLD技术是将高能脉冲激光聚焦在靶表面，轰击靶材，形成高温高压的等离子体，经绝热膨胀，在衬底上沉积成膜。2002年，日本的P.M.Sirimanne等人采用脉冲激光沉积技术成功制备了γ-CuI薄膜，在400nm-900nm波段的透过率超过80%，最小电阻率仅为2KΩcm[35]，如图1.4（a）所示。但是，武汉科技大学利用此种方法在不同的激光能量下制备的γ-CuI薄膜发现含有少量I2O5[34]，如图1.4（b）所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用CuI掺杂NPB结构增强有机磷光电致发光器件的空穴注入[J]. 华杰,关宇,孙东舒,王宇,江海鹏,崔伟男,汪津,姜文龙. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]新型空穴传输材料CuSCN在光电器件中的应用[J]. 亓媛媛,李明光,王宏磊,张雯,陈润锋,黄维. 化学进展. 2018(06)
[3]Cu2O/ZnO异质结构纳米线阵列的光电化学性能[J]. 胡亚平,龙飞,莫淑一,邹正光. 人工晶体学报. 2015(08)
[4]连续离子层吸附反应法制备超薄功能膜及应用[J]. 石亚平,高燕,孙承月,吴宜勇. 宇航材料工艺. 2010(04)
[5]过渡元素离子表面改性锐钛型TiO2光催化活性规律探讨[J]. 毛磊,童仕唐,张海禄,崔正威. 武汉科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[6]CuI晶体及其缺陷态电子结构的模拟[J]. 顾牡,刘峰松,张睿. 发光学报. 2004(04)
[7]CdS薄膜的SILAR法制备与表征[J]. 刘晓新,靳正国,步绍静,赵娟,程志捷. 无机材料学报. 2004(03)
[8]稀土元素掺杂对纳米TiO2光催化剂性能的影响[J]. 冯良荣,吕绍洁,邱发礼. 复旦学报(自然科学版). 2003(03)
博士论文
[1]基于氧化锌纳米阵列的钙钛矿光伏器件结构与性能的研究[D]. 许扬.湖北大学 2017
[2]n-ZnO/p-GaN异质结发光器件的制备及其光电性能研究[D]. 张立春.曲阜师范大学 2013
[3]一维TiO2与ZnO纳米阵列的设计、制备及性能研究[D]. 任鑫.上海交通大学 2011
硕士论文
[1]一维TiO2纳米阵列的优化制备及其催化性能研究[D]. 陶佳佳.安徽大学 2017
[2]碘化亚铜（CuI）材料的制备及其光电性能的研究[D]. 林国琛.鲁东大学 2017
[3]CuI薄膜的制备和光电特性研究[D]. 王强.苏州科技大学 2016
[4]透明导电CuI薄膜的制备及其在DSSC中的应用[D]. 自敏.济南大学 2015
[5]半导体材料的电沉积制备及其光电性能研究[D]. 陈科立.浙江大学 2011
本文编号：3418154
【文章来源】：鲁东大学山东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碘化亚铜的三种晶体结构示意图(紫色为I，黄色为Cu)
鲁东大学硕士学位论文3图1.2室温下γ-CuI的能带结构[6]由于γ-CuI的带隙较宽，不吸收400-1000nm的波段光子能量，所以在此波段内γ-CuI是透明的，其可见光透过率一般在60%左右，极少能达到90%以上。主要是因为生长的γ-CuI结晶质量不够好，在薄膜表面存在大量的折射和反射。另外，γ-CuI具有很高的激子束缚能（62meV）[52]，所以激子会在直接带隙处吸收光子能量，产生410nm左右的光致发光峰。2004年，上海同济大学的顾牧教授报道，铜空位缺陷（VCu），碘空位缺陷（VI），碘间隙缺陷（Ii）和铜间隙缺陷（Cui）是CuI禁带中会存在的四种主要缺陷[47]。2013年，德国莱比锡大学的MariusGrundmann报道了CuI晶体中不同缺陷的生成焓（ΔH）和单粒子跃迁能级（ε）的数值[6]，如下表1.1所示。表1.1γ-CuI的本征缺陷生成焓和跃迁能级[6]缺陷类型生成焓ΔH（eV）跃迁能级ε（eV）铜空位缺陷（VCu）0.620.086碘空位缺陷（VI）3.680.62碘间隙缺陷（Ii）2.970.085铜间隙缺陷（Cui）2.350.036由表1.1可以看出，在γ-CuI的本征缺陷生成焓中，形成铜空位缺陷（VCu）能量最低，所以铜空位本征缺陷最容易产生，使γ-CuI表现出p型半导体特性[53]。1.1.3CuI的制备方法截至目前，已经有多种技术用于制备CuI。制备技术主要分为化学法和物理法，其中化学方法包括铜膜碘化法[28-33]（碘蒸气碘化和碘溶液碘化等方法）、连续离子吸附法[39-40]（SILAR）、化学浴沉积法[54]（CBD）、电化学沉积法[55]（ECD）和水热合成法[30,56]等；物理方法则主要有脉冲激光沉积法[34-35]、溅射法[41]、真空热蒸发技术[24,36-38]等。
真空热蒸发制备CuI薄膜及异质结探测器研究4(1)铜膜碘化法铜膜碘化法主要分为两个过程：首先是制备铜膜，然后利用碘蒸汽与铜膜发生化学反应而生成CuI。一般采用电子束蒸发技术和真空热蒸发法制备铜膜，之后将铜膜与碘单质置于密闭容器中，通过加热使碘升华与铜膜发生如下反应，生成CuI薄膜。22Cu+I2CuI············································(1-1)该方法操作简单，对实验条件要求较低。但利用该方法生长的CuI薄膜表面粗糙度普遍较高，光电性能较差。2013年，德国莱比锡大学的MariusGrundmann小组利用此方法制备出的导电性很好的γ-CuI薄膜[28]，如图1.3（a）所示，其电阻率为0.2Ωcm，载流子浓度为5×1018cm-3，霍尔迁移率为6cm2V-1s-1，但是其粗糙度高达81nm，致使500nm厚CuI薄膜的透过率仅为49%（400nm-800nm）。2016年，鲁东大学的林国琛等人用同样方法制备了γ-CuI薄膜，他们测得γ-CuI薄膜的透过率达到60%以上[29]，如图1.3（b）所示。图1.3(a)铜膜碘化法流程示意图[28]；(b)CuI薄膜(80nm铜膜)的透过光谱[29](2)脉冲激光沉积法（PLD）PLD技术是将高能脉冲激光聚焦在靶表面，轰击靶材，形成高温高压的等离子体，经绝热膨胀，在衬底上沉积成膜。2002年，日本的P.M.Sirimanne等人采用脉冲激光沉积技术成功制备了γ-CuI薄膜，在400nm-900nm波段的透过率超过80%，最小电阻率仅为2KΩcm[35]，如图1.4（a）所示。但是，武汉科技大学利用此种方法在不同的激光能量下制备的γ-CuI薄膜发现含有少量I2O5[34]，如图1.4（b）所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用CuI掺杂NPB结构增强有机磷光电致发光器件的空穴注入[J]. 华杰,关宇,孙东舒,王宇,江海鹏,崔伟男,汪津,姜文龙. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]新型空穴传输材料CuSCN在光电器件中的应用[J]. 亓媛媛,李明光,王宏磊,张雯,陈润锋,黄维. 化学进展. 2018(06)
[3]Cu2O/ZnO异质结构纳米线阵列的光电化学性能[J]. 胡亚平,龙飞,莫淑一,邹正光. 人工晶体学报. 2015(08)
[4]连续离子层吸附反应法制备超薄功能膜及应用[J]. 石亚平,高燕,孙承月,吴宜勇. 宇航材料工艺. 2010(04)
[5]过渡元素离子表面改性锐钛型TiO2光催化活性规律探讨[J]. 毛磊,童仕唐,张海禄,崔正威. 武汉科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[6]CuI晶体及其缺陷态电子结构的模拟[J]. 顾牡,刘峰松,张睿. 发光学报. 2004(04)
[7]CdS薄膜的SILAR法制备与表征[J]. 刘晓新,靳正国,步绍静,赵娟,程志捷. 无机材料学报. 2004(03)
[8]稀土元素掺杂对纳米TiO2光催化剂性能的影响[J]. 冯良荣,吕绍洁,邱发礼. 复旦学报(自然科学版). 2003(03)
博士论文
[1]基于氧化锌纳米阵列的钙钛矿光伏器件结构与性能的研究[D]. 许扬.湖北大学 2017
[2]n-ZnO/p-GaN异质结发光器件的制备及其光电性能研究[D]. 张立春.曲阜师范大学 2013
[3]一维TiO2与ZnO纳米阵列的设计、制备及性能研究[D]. 任鑫.上海交通大学 2011
硕士论文
[1]一维TiO2纳米阵列的优化制备及其催化性能研究[D]. 陶佳佳.安徽大学 2017
[2]碘化亚铜（CuI）材料的制备及其光电性能的研究[D]. 林国琛.鲁东大学 2017
[3]CuI薄膜的制备和光电特性研究[D]. 王强.苏州科技大学 2016
[4]透明导电CuI薄膜的制备及其在DSSC中的应用[D]. 自敏.济南大学 2015
[5]半导体材料的电沉积制备及其光电性能研究[D]. 陈科立.浙江大学 2011
本文编号：3418154
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