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磁性掺杂氧化物半导体薄膜的光学性质

陈贤贵  
【摘要】:过渡金属掺杂宽禁带半导体具有半导体材料和磁性材料的双重特性,在同一种材料中可以实现对电子和自旋的调控。宽禁带半导体把他们的导电性、透明性、和铁磁性结合起来,开启了一个崭新的应用领域。宽禁带半导体的二氧化锡(Sn02)和二氧化钛(Ti02)在光电子和自旋电子器件上有潜在的应用,已经成为了国内外研究的热点。此外,光伏半导体薄膜材料也是当前研究的热点,特别是黄锡矿结构的铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)但由于其具有近乎完美的禁带宽度(~1.5eV),较高的吸收系数(104cm-1),元素含量丰富以及价格低廉等优点,被认为是最适合做太阳能电池吸收层的材料之一。吸收层是太阳能电池的核心,吸收层材料的光学性质对光伏转换效率起关键作用。研究半导体材料的光学性质,不仅有重要的理论价值而且有利于这些材料在器件方面的应用。虽然有人报道过以上几类半导体薄膜材料的光学性质,但关于这些材料的光学性质研究仍然是有局限和不足的,特别是它们的光学常数和禁带宽度的温度依赖关系还未完全澄清。因此,本论文通过变温透射光谱和光致发光光谱详细地研究了Sn1-xMnxO2(SMO)、Ti1-xFexO2和Cu2ZnSnS4(CZTS)半导体薄膜的光学性质: (1)研究了SMO薄膜的光学性质,获得了SMO薄膜的光学禁带宽度(OBG)随掺杂浓度以及温度变化的规律,获得了乌尔巴赫带尾能量随温度变化的关系。通过变温透射光谱研究了SMO薄膜的光学性质。用Adachi色散方程拟合透射光谱,得到了SMO薄膜的光学常数。吸收边随着Mn组分的增加而红移,OBG从4.22eV减小到3.44eV。带隙的缩小值[Eg(5.3K)-Eg(300K)]从98meV线性下降到3meV。乌尔巴赫带尾能量有两种不同的温度区域,在低温和高温下可以用两个不同的经验公式来描述。 (2)研究了Ti1-xFeXO2薄膜的光学性质,获得了薄膜的紫外-近红外的光学常数和禁带宽度,研究了Fe掺杂对光致发光光谱的影响。通过透射光谱和变温光致发光光谱研究了用溶胶凝胶法在石英上长的Ti1-xFexO2薄膜的光学性质。Ti1-xFexO2薄膜的禁带宽度约为3.60eV。Fe的掺杂使TiO2中氧空位浓度增加,导致光致发光谱的强度急剧下降。未掺杂的Ti02薄膜在低温下包括五个激发带,分别来源于氧空位,表面态和色心中心的激发发光。 (3)从实验上获得了CZTS薄膜的紫外-近红外介电函数,指认3个带间电子跃迁,获得了温度和声子模式、介电函数、带间电子跃迁能量以及吸收系数的变化关系。通过变温拉曼研究了CZTS薄膜的晶格振动和声子模式,随着温度从86K升高到300K, CZTS薄膜的Al声子模式线性地从340cm-1减小到331cm-1。通过变温透射光谱系统地研究了CZTS薄膜的光学性质。用Tauce-Lorentz模型拟合透射实验谱,成功地提取了CZTS薄膜的紫外-近红外的介电函数。CZTS薄膜的基本带隙和高阶电子跃迁点分别位于1.5,3.6和4.2eV位置。由于声子电子相互作用和晶格热膨胀,这三个带间电子跃迁能量值都随着温度的升高出现了红移的现象。


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