磁控溅射硫化法制备RCuOS(R=La、Y)薄膜的研究

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LaCuOS作为p型透明导电薄膜,具有宽禁带直接带隙、可以通过有意掺杂实现对光电性能进行调控等优点,可以用在光电器件或太阳能电池中作为空穴传输层提升器件性能,具有广阔的应用前景。但是,La CuOS的电导率与n型透明导电氧化物相比存在很大差距,n型透明导电氧化物已经实现了低温甚至常温大面积制备,而文献报道的光电性能良好的p型La CuOS薄膜制备温度大多在800℃以上,这大大限制了它的实际应用范围。本论文围绕相关问题完成如下工作:(1)为了降低LaCuOS薄膜的制备温度,本论文采用具有易于控制、可实现工业化生产的磁控溅射技术,结合溅射过程中共蒸发S粉的硫化工艺及后退火处理,将文献常用的La Cu O2高温硫化的过程转变为La Cu S2低温热氧化的过程,证实了磁控溅射硫化制备La CuOS薄膜方案切实可行。基于此方法得到未退火的薄膜表现为p型导电,电导率为8.33 S·cm-1。在相对较低的500℃下退火制备了具有3.22 e V直接带隙的La CuOS薄膜,透过率为59%,表现出良好的透光性;对于在更高硫化退火温下得到的La CuOS薄膜,随着退火温度的升高,薄膜结晶度提高。(2)掺杂技术常常用于调节半导体材料的光学带隙或提升其导电性。本论文沿用低温硫化手段将稀土元素Y掺杂至La CuOS中制备了LaYCuOS薄膜。而掺杂了20%Y元素未退火的LaYCuOS薄膜的电导率相较于La CuOS薄膜上升至11.90 S·cm-1;650℃退火后LaYCuOS出现带边吸收峰,带隙为3.06 e V;850℃退火后得到的LaYCuOS薄膜表现出直接带隙半导体特性且结晶良好,并且薄膜在850℃退火后在500 nm附近出现了较强的光致发光。(3)CuYO2作为具有p型导电性的p型透明半导体氧化物,理论上具有2.63 e V的间接带隙和3.3 e V的直接带隙,Y元素取代La元素使其表现出更好的导电性。本文基于射频磁控溅射与硫化技术制备La CuOS薄膜的方法,由Y元素取代La元素,制备了S掺杂的YCuOS薄膜。(4)利用磁溅射硫化工艺制备了两个YCuOS薄膜样品,750℃真空退火所得样品1的S掺杂量为10%,850℃硫化退火所得样品2的S掺杂量为24%。样品1表现为平均透过率为55%,带隙为2.68 e V的间接带隙半导体材料;样品2表现为平均透过率为40%,带隙为3.3 e V的直接带隙半导体材料,两者均形成大规模晶粒。退火后的两个样品均表现出良好的p型导电性,电导率分别为119.05S·cm-1和538.92 S·cm-1。导电性较La CuOS薄膜有较大提升。除此以外,750℃真空退火的样品在507nm处出现了半高宽较小的强激子发射峰。本论文中共图52幅,表17个,参考文献60篇
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