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掺杂改性二氧化钛薄膜的制备及其光学性能研究

周艳军  
【摘要】:TiO_2作为一种廉价、无毒、化学性质稳定的半导体,目前已成为研究最为广泛的太阳能电池用材料之一。但TiO_2禁带宽度较宽,对太阳能的利用率很低,限制了其在太阳能领域的实际应用。因此对TiO_2进行各种掺杂,以提高其对太阳光的利用率。 本文分别采用溶胶-凝胶法和磁控溅射法制备了纯TiO_2薄膜,并采用溶胶-凝胶法和离子注入技术对TiO_2薄膜进行改性研究。在溶胶-凝胶法制备TiO_2薄膜过程中将Ge掺入TiO_2薄膜;在溶胶-凝胶法制备的TiO_2薄膜中,用离子注入技术进行了Fe、Cr的单独注入以及复合注入;在磁控溅射法制备的TiO_2薄膜中,分别进行Ge、Si的单独和复合注入。考察了掺杂方式和掺杂离子对薄膜表面形貌、结晶、表面化学态和光学性能的影响,结果如下。 XRD及XPS的研究结果表明,溶胶凝胶法和磁控溅射制备的TiO_2薄膜为锐钛矿型;但薄膜的表面化学态及价键状态有所不同,最终导致两者光性能的差异。溶胶的配比对薄膜质量有影响。 采用溶胶-凝胶法对TiO_2进行Ge掺杂及还原处理,薄膜产生了一定红移,掺杂Ge:Ti = 3:7的薄膜红移显著,同时聚乙二醇的加入有利于薄膜红移。溶胶凝胶法在不同室温下制备薄膜结晶性、Ge存在方式、紫外-可见吸收不同。室温22℃条件下制备的薄膜及其中Ge的结晶性很好;XPS分析表明,Ge大部分以单质形式存在;18℃条件下掺杂薄膜结晶性差,Ge主要以氧化锗形式存在。 Fe、Cr离子复合注入后,薄膜的结晶性变差;XPS分析结果显示,Fe、Cr分别以单质和氧化物形式存在;光学性能较单独注入Fe的有所下降。分析表明,两种离子的相互作用最终使得薄膜中有效离子浓度降低,Cr的存在使Fe得红移效果降低。 与Fe、Cr离子复合注入不同,在磁控溅射法制备的TiO_2薄膜中,Si、Ge复合注入使得薄膜的红移效果显著,但结晶性变差;XPS分析Ge、Si表明;Si以氧化态存在,Ge以单质存在,两种离子的相互作用,使复合注入的薄膜光学性能有大幅度提高。 以上研究结果为促进制备对可见光敏感的TiO_2薄膜的研究提供了有价值的参考依据。


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