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有机/无机多层复合膜的制备及光电性能研究

何智兵  
【摘要】:本文介绍了有机、无机及有机/无机复合光电材料的研究进展,对其结构、光电性能、制备方法及应用背景作了详细的总结、分析和讨论。重点综述了有机/无机复合膜的光电性能研究进展、应用背景及制备方法。酞菁铜(CuPc)是典型的有机光电半导体材料,在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大,且具有较好的耐高温性能。Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体ZnS与CdS都具有高的载流子迁移率,而且CdS本身也是可见光区域优良的无机光电材料。通过CuPc和ZnS、CdS的层状复合,期望能有效发挥各自材料的优势,并充分利用多层复合膜的界面性能等,特别是CuPc/CdS复合膜可以拓宽复合膜的响应光谱,提高复合膜光电导性能,从而制备出具有优异光电导性能,稳定性好的光电材料。为新型的光电材料开拓新的发展方向。 本文研究了真空蒸发制备CuPc、ZnS和CdS薄膜的结构和性能。在此基础上,进一步研究了CuPc/ZnS和CuPc/CdS多层复合膜的结构和光电导性能。讨论了各工艺参数对多层复合膜的光电导性能的影响,获得了最佳的工艺参数。深入地探讨了有机、无机,特别是有机/无机多层复合膜的光电导机理,建立了相应的光电导模型。 论文先研究了衬底温度对CuPc薄膜结构和性能的影响。随衬底温度的升高,CuPc薄膜的结晶性能变好,其中α-CuPc的相对含量逐渐增加,而β-CuPc相应减少。CuPc薄膜在可见光区域内有较高的吸收率,但载流子迁移率低,CuPc薄膜的光敏性很差,其最好光敏性的光暗电导比仅为3.27。 分析了衬底温度对ZnS薄膜的结构和性能的影响。不同衬底温度的ZnS薄膜都出现好的定向生长特性。ZnS薄膜的结晶性能随衬底温度的升高逐渐变好,但过高的衬底温度使得薄膜不均匀,缺陷增多,成膜质量差。ZnS薄膜在可见光区域内有很高的透过率。衬底温度对ZnS薄膜在可见光区域内的吸收和透过率影响较小。ZnS薄膜的光学带隙随衬底温度的变化表现出先增加后有所减小的变化趋势,在200℃时得到最大的光学带隙值3.579 eV。ZnS薄膜的电阻率在平面和截面方向上存在各向异性特性,且随衬底温度升高,ZnS薄膜的平面电阻率先随衬底温度的升高而减小,到了200℃时达到最小值,后又随着衬底温度的升高而增大,而截面电阻率则先逐渐增大后有所减小,在200℃时具有最大截面电阻率。ZnS薄膜具有较高的载流子迁移率,其随衬底温度的升高呈现出先增大后减小的变化规律。在200℃衬底温度下,ZnS薄膜具有最大的电子迁移率。 讨论了衬底温度对CdS薄膜的结构和性能的影响。不同衬底温度下CdS薄膜都为六方相纤锌矿结构,而且都在(002)晶面具有很好的择优取向性,随着 浙江大学博士学位论文 衬底温度的升高,薄膜的择优取向性变差。CdS薄膜的光学带隙在衬底温度较低 时,随着温度的升高而增大,在衬底温度较高时,随温度升高而减小,在衬底温 度为150℃时达到最大为2.459 eV。Cds薄膜的平面与截面电阻率随衬底温度变 化呈现相反的规律。平面电阻率先随温度的升高而减小,后随着衬底温度的升高 而增大,截面电阻率却先增大后减小。在150℃下薄膜的平面电子迁移率最大, 电阻率最小;而截面电阻率达到最大。在衬底温度较低时CdS薄膜具有较好的 光敏性,在150℃衬底温度时,得到了最佳的光敏性,光暗电导比达到1.73x103。 首次成功地制备了光电导性能优良的CuPc/ZnS多层复合膜。复合膜的层数、 衬底温度以及膜层厚度对复合膜的结构、光电导性能有很大影响。在Cul,e/ZnS 多层复合膜中,随复合膜层数增加而出现p一ZnS到a一zns晶相转变的现象;CuPc 膜层中CuPc单体的含量减少,CuPc二聚体的相对含量相应增加。低温衬底下 CuPc膜层以p一CuP。为主,随着衬底温度的升高,CuPc膜层中的p一CuP。的含量 减少,相应a一CuPc的含量逐渐增加。随衬底温度的升高,CuPc和ZnS膜层的结 晶性变好。室温衬底下沉积的复合膜的晶粒小,堆积紧密,晶粒聚集严重,整个 薄膜表面缺陷较多。150℃衬底温度下沉积的复合膜相对于室温衬底样品晶粒更 大,整个薄膜表面更均匀。过高的衬底温度使得复合膜均匀性变差,表面粗糙度 增加,膜层相互渗入严重。在150℃衬底温度下,膜层厚度为dcuP。=50nrn,dzns =IO0nrn的6层复合膜具有最佳的光敏性,其光暗电导比为950.41。表现出比 CuPc薄膜更优良的光电导性能。 CuPc/CdS在可见光区域拓宽复合膜的光谱响应范围,更有效地体现有机/无 机复合体系的优势,获得更优异的光电导性能。Cul,c/Cds多层复合膜不仅在 40小520nln区域出现了较强的光吸收,而且在60份soonln区域也有高的光响应。 在衬底温度为150℃,膜层厚度为dcuPc二加Iun,dcds=20nm,6层CuPc/Cds 复合膜具有最佳的光敏性,其光暗电导比为7.01、1护。cul,c/cds复合膜的光敏 性比CuPc/Z ns复合膜高出近一个数量级。CuPc/Cds与CuPc/ZnS复合膜的光电 导性能随各制备参数有着类似的变化规律。 有机/无机复合膜的光电导机理不同于单纯的有机或无机薄膜。界面在复合 膜的光电导过程中扮演重要的角色。六层CuPc/Zns复合膜的光敏性比单纯CuPc 薄膜高出近三个数量级。CuPc/Z ns多层复合膜具有良好的光电导性能得益于 CuPc在可见光区域有很高的


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