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P型铜铁矿结构氧化物半导体CuCrO_2的掺杂效应及性能研究

宋晓英  
【摘要】:透明导电氧化物(TCO)具良好的咆导率、较高的可见光透射率,被广泛应用在太阳能电池、平板显示、发光材料、催化剂、等光电器件方面。目前n型电子导电的TCO材料比较成熟,而p型TCO材料研究较少,只有提高p型TCO材料的性能,才能实现全透明半导体器件。因此本文采用溶胶凝胶法制备CuCrO2粉末,在制备溶胶凝胶过程中掺入杂质元素(Mg、Zn、Ca)。煅烧生成掺杂粉末,并压制形成陶瓷块体。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、EDS、紫外可见分光光度计、半导体性能测试仪等分析样品的结构、微观形貌及光电性能等。主要研究结果: 1).溶胶凝胶粉体只有在等于或高于750℃煅烧7h得到具有3R铜铁矿结构CuCrO2相。在煅烧温度为750℃时,随着煅烧时间由3小时增加到7小时,晶体颗粒大小变得均匀,颗粒尺寸由200nm增大到4.5umm左右。随着煅烧温度的升高,CuCrO2粉末样品带隙宽度逐渐展宽,其光学带隙宽度为3.22eV左右。 2).对CuCrO2粉末进行压制生成压坯。随着压强的增加,压坯密度明显增加,再经高温烧结,得到的陶瓷样品致密度明显增大,电导率也增大。当压制压强为600MPa时,烧结前后密度相差最大。烧结前密度为3.95g/cm3,而烧结后密度达到4.89g/cm3,与CuCrO2理论密度相对比,得出致密度为89.1%。随着压强增加, CuCrO2陶瓷样品电导率逐渐增大,在550MPa时,电导率最大为3.6×10-3/cm。 3).溶胶凝胶法制备CuCrO2粉末过程中,掺入少量二价元素Mg, Zn, Ca替代CuCrO2晶格结构中的Cr位。少量掺杂的情况下,其晶格结构仍保持3R铜铁矿结构,当掺入过量的杂质元素时,产生其他杂质,如CuO, CaCr2O4, ZnCr2O4等。 4).对CuCr1-xMxO2(M=Mg, Ca, Zn)粉末样品,随着掺杂量的增加,在可见光区,样品粉末对紫外光的吸收强度都逐渐增加,带隙宽度逐渐变窄。平均带隙宽度分别为3.03eV,3.01eV,3.09eV,比未掺杂的CuCrO2粉末带隙宽度有所减小。随着掺杂量的增加,CuCr1-xMxO2(M=Mg,Ca, Zn)陶瓷样品电导率先增大后减小。当Mg掺杂量x=0.03时,电导率达到最大为18.9S/cm。 5). Zn, Ni分别与Mg共掺杂生成CuCrMgNO2(N=Zn, Ni)粉末样品,不改变原有的3R铜铁矿结构。其中CuCr0.97Mg0.01Zn0.02O2陶瓷样品的电导率为20.2S/cm,比单独掺杂Mg元素的陶瓷样品电导率略大 6).在200-300K的近室温区,CuCrO2以及Mg、Zn、Ca掺杂后的陶瓷样品的电导率随着温度的降低,电导率也降低,这符合半导体材料的导电性能。通过计算的出CuCrO2|陶瓷样品的热激活能为0.21eV,符合Arrhenius规律。


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