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脉冲激光沉积法制备β-FeSi_2半导体薄膜的研究

周幼华  
【摘要】: 半导体β-FeSi_2是一种潜在的性能优良的发光、光电、热电、太阳能电池材料,它可用于制作薄膜光电器件、薄膜太阳能电池、热电器件、磁性半导体器件。β-FeSi_2也是一种环保型半导体材料,其从制造、使用和废弃都可以不对生态造成破坏。论文首先综述了β-FeSi_2的基本性能、应用前景、常用的制备方法及国内外研究现状;本学位论文是围绕脉冲激光沉积法制备β-FeSi_2薄膜而开展的一系列的研究工作。 (1)采用分析纯的Fe粉和Si粉为原料合成了FeSi_2合金,研究了硅粉和铁粉合成FeSi_2的动力学过程。 (2)研究了飞秒激光作用在FeSi_2合金靶、Bi_4Ti_3O_(12)陶瓷靶、Cu单质靶上等离子体羽的一般规律;研究了飞秒激光作用产生的等离子体的传输规律。 (3)将飞秒脉冲激光沉积法(fsPLD, femtosecond Pulse Laser Deposition)引入到β-FeSi_2薄膜的制备工艺中,并与准分子(excimer)激光沉积法进行了比较,得到了脉冲激光沉积β-FeSi_2薄膜的适宜条件;采用飞秒脉冲激光沉积法在Si(100)、Si(111)衬底上制备了单相均匀连续的β-FeSi_2薄膜,有效的解决了传统脉冲激光沉积法中产生大量微米级的微滴的技术缺陷。 (4)研究了fsPLD在沉积β-FeSi_2薄膜过程中,在不同的衬底上、不同的沉积温度和退火温度下,β-FeSi_2薄膜的生长规律。研究了β-FeSi_2/Si薄膜的生长和Si衬底取向之间的关联性。 (5)采用fsPLD +固相反应法(RDE, Solid-state Reaction Epitaxy)在Si(100)和Si(111)衬底上制备了β-FeSi_2薄膜,这是脉冲激光沉积β-FeSi_2薄膜的一种新的尝试。 (6)采用X射线衍射仪(XRD, X-Ray Diffraction)、扫描探针显微镜(SPM, Scan Probe Microscope)、场扫描电镜(FSEM, Field Scan Electron Microscope)、能谱仪(EDS, Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy)、显微激光拉曼光谱仪(MRS, Micro Raman spectrophotometer)、背散射(EBSD, Electron Back Scattering Diffraction)、高分辨透射电镜(HRTEM, High Resolution Transmission Electron Microscopy)等仪器研究了薄膜的结构、组分、表面形貌;采用紫外可见光光谱仪(UV-VIS-NIR spectrophotometer)、傅立叶红外光谱仪(FTIR,Fourier- Transform Infrared Spectrophotometer)研究了薄膜的光学性质;在室温下观察到了β-FeSi_2薄膜在1.53μm的光致发光;薄膜的直接能隙约为0.85eV。 (7)将在500℃的温度下沉积并保温5 h的β-FeSi_2/Si(100)薄膜制作成霍尔元件,在多功能物性测量系统(PPMS, Physical Properties Measurement System)中测得该样品的电阻率ρ1为8.28×10-3 ?cm,霍耳系数RH=4.3×102 m3/coul,该薄膜样品为P型半导体。在500℃的温度下沉积并保温5 h的β-FeSi_2/Si(100)和β-FeSi_2/Si(111)薄膜样品的I-V特性曲线观察到0.22 V和0.25 V光生伏特。 (8)采用飞秒脉冲激光沉积在Si衬底上制备了多晶钛酸铋铁电薄膜。在室温下的制备的Bi_4Ti_3O_(12)薄膜呈高c轴取向的;衬底温度为500℃的温度时,Bi_4Ti_3O_(12)薄膜呈高a轴取向的。测量了所制备的Bi_4Ti_3O_(12)薄膜铁电特性和I-V特性;通过建立一个分布参数电路模型讨论了铁电特性和I-V特性曲线之间的关联性。


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