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透明导电氧化物(Transparent conducting oxides,TCO)被广泛的应用于平板显示器、触摸屏以及太阳能电池等领域。目前广泛研究的TCO材料包括ZnO1-x,In1-xSnxO3,SnO2:F等均为n型半导体,关于p-TCO的研究报道却非常少。1997年,Kawazoe等报道了铜铁矿结构氧化物CuAlO2薄膜是一种性能稳定的p-TCO材料,从此点燃了对铜铁矿结构氧化物的研究热潮。在铜铁矿材料体系中,Tate报道的CuCrO2通过在Cr为掺杂5%的Mg可以将电导率提高到220Scm-1,是目前p-TCO材料中报道的最高的电导率,但是它的可见光透过率只有30%-40%。目前CuCr1-xMgxO2块体和薄膜已经被广泛研究,而且光电性能均得到了很大的提高。在p-TCO材料的研究得到巨大进展的基础上,大量的关于透明p-n结的制备相继报道,如p-CuYO2:Ca/n-ZnO,p-CuAlO2/n-ZnO,and p-CuCrO2:Mg/n-ZnO等。
本文结合固相反应方法与溶胶凝胶法成功制备了铜铁矿结构CuCrO2粉末及多晶块体。并通过脉冲激光沉积法成功制备CuCrO2薄膜。通过调整衬底温度成功制备无定形态及高度c轴取向的CuCrO2薄膜。并通过建立非晶态半导体的能带模型解释了非晶态CuCrO2薄膜的导电机制,从理论上解释了非晶CuCrO2薄膜具有较小电阻率的原因。在此基础上,通过调整脉冲激光能量密度进行了CuCrO2薄膜的制备及性能的研究。研究发现低能沉积的CuCrO2薄膜虽然生长速度慢,但是结晶更好并且高度c轴取向,不过薄膜表面的岛状生长增大了CuCrO2薄膜的表面粗糙度。高能沉积的CuCrO2薄膜生长速度快而且表面平整,缺点是不能得到高度c轴取向的薄膜。通过对不同厚度的CuCrO2薄膜的透射光谱的研究,计算出了CuCrO2薄膜的折射率,而且其折射率的值显示CuCrO2薄膜将会是一种非常有潜力的增透膜材料。通过对不同激光能量密度沉积的CuCrO2薄膜的电学性能的测试发现,激光能量密度对制备的CuCrO2薄膜的能带结构有很大的影响,它将直接影响CuCrO2薄膜的费米的能级在禁带中的位置。而费米能级的位置将影响p-n结的电学性能,因此激光能量密度对于p-n结的制备将是一个非常重要的参数。另外,本文还通过Cu-Cr-O复合靶材进行脉冲激光沉积CuCrO2薄膜的探索,并成功制备CuCrO2薄膜。而且使用Cu-Cr-O复合靶材制备的CuCrO2薄膜要比相同条件下使用多晶CuCrO2靶材制备的CuCrO2薄膜电阻率小一个数量级。通过对Cu-Cr-O复合靶材制备的CuCrO2薄膜的表面形貌的分析发现,高温沉积的CuCrO2薄膜的表面由尺寸均匀的片状纳米颗粒组成,因此这也提供了一种新的纳米CuCrO2颗粒薄膜制备方法。
本文同时进行的掺杂CuCrO2靶材及薄膜制备与物性研究。通过脉冲激光沉积法成功制备出高度c轴取向的Mg掺杂CuCrO2薄膜,并对其结构及光电性能进行了研究。通过透射光谱的分析我们发现CuCr1-xMgxO2薄膜的可见光透过率随Mg含量的增加呈现微小的降低。但是CuCr1-xMgxO2薄膜的电导率却比未掺杂的CuCrO2薄膜提高了接近四个数量级。本文也进行了Mn掺杂CuCrO2靶材及薄膜的制备及性能研究。通过溶胶凝胶法制备CuCr1-xMnxO2靶材,Mn的掺杂量可达到20%而不出现任何杂相。通过对CuCr1-xMnxO2靶材的电学及磁性的研究,我们首次在此体系中发现的铁磁转变,转变温度为120K,将铜铁矿结构氧化物延伸到稀磁半导体领域。并且通过Cr3+-O-Mn3+的双交换作用可以对CuCr1-xMnxO2靶材的电阻率以及磁性的变化做出解释,Cr3+-O-Mn3+的双交换作用已经在LaMnCrO3体系中得到了广泛研究,本文的研究再一次证实了Cr3+-O-Mn3+的双交换作用的存在。CuCr1-xMnxO2薄膜也已经通过脉冲激光沉积法成功制备,而且高度的c轴取向,相关电磁性能的测试还在进行中。
在以上对于CuCrO2薄膜研究的基础上,本文还进行了透明p-n结的制备,并已经取得了初步结果。