金属掺杂氧化铜薄膜的制备与表征

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铜有两种主要的氧化相,分别是氧化铜(CuO)和氧化亚铜(Cu20).铜的氧化物具有光学和电学特性良好,地球上含量丰富,无毒及成本较低等优点.跟Cu2O相比,CuO更加稳定而且制备更容易,其带隙与太阳光谱结构更相匹配,因此它能够吸收更多的太阳光,有望获得更高的光电转换效率,因而CuO更适合用作太阳能电池材料.金属掺杂的CuO(CuMO)薄膜的性质鲜有报道,因而研究CuMO薄膜对其在光学、电学、磁学等方面具有良好的应用前景.本论文采用射频直流磁控共溅射法分别在Si(100)和ITO玻璃衬底上制备了氧化铜及金属掺杂氧化铜薄膜,分析了氧化铜薄膜及金属掺杂氧化铜薄膜的晶体结构、表面形貌、成分组成、电学性能、光学性能和磁学性能.采用射频磁控溅射在Si(100)和ITO玻璃衬底上制备氧化铜薄膜,得到结晶性良好且具有(002)择优取向的氧化铜薄膜.从X射线衍射(XRD)图谱上看出制备的氧化铜薄膜(002)方向的衍射峰尖锐,表明薄膜的结晶性较好;扫描电子显微镜(SEM)图像表明薄膜表面光滑致密,平均颗粒尺寸约为32-70 nm;能量色散X射线光谱(EDX)分析显示未退火的薄膜中Cu和O的比值约为1.1-1.3,接近化学计量的CuO;X射线光电子能谱(XPS)测试显示未退火的薄膜Cu元素的存在形式为CC+;四探针法测得薄膜电阻率约为0.05-3.702 Ω·cm;紫外可见近红外分光光度计测量显示在1030.53 nm处薄膜具有最大透射率为46.6%,光学带隙为2.84eV.利用射频直流共溅射的方法制备金属掺杂的氧化铜薄膜(CuO-Mn:Al, CuO-Co:Al),并且对薄膜进行退火处理.利用XRD对所得到的薄膜进行结构分析,采用SEM、EDX、XPS分析薄膜的表面形貌、成分组成,利用四探针法电阻测量仪、紫外可见分光光度计、振动样品磁强计(VSM)测量,分析了金属掺杂的氧化铜薄膜的电阻率、光学带隙、磁性的变化情况.结合计算得到晶格常数以及EDX、XPS的测量结果表明,Mn:Al和Co:Al成功掺杂进入晶胞中,且掺杂使得电阻率降低,光学带隙宽度变大,由非磁性材料变为铁磁性的材料.掺杂Co:Al氧化铜薄膜的矫顽力(401 Oe)大于掺杂Mn:Al薄膜的矫顽力(270 Oe).
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