P型透明导电氧化物CuCrO2薄膜的制备工艺优化与性能研究

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CuCrO2是一种P型铜铁矿结构的半导体氧化物,具有较高的可见光透过性和导电性,其禁带宽度是3.2eV。CuCrO2薄膜可以应用于光电材料的透明电极、太阳能电池、平板显示,特殊窗口涂层等光电子领域。CuCrO2中的空穴主要来源于间隙氧、铜空位和铬空位,由于空穴的迁移率比较低,CuCrO2的电导率相比于n型半导体来说要小得多。因此如何提高CuCrO2的导电性能成为了当前的研究热点。本文采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备p型CuCrO2薄膜,优化薄膜的制备工艺,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜,紫外-可见光分光光度计等对薄膜物相结构、表面形貌和光学性能进行表征,研究氧氩比、溅射气压和退火温度对p型CuCrO2薄膜的结构与光学性能的影响,得出最优的工艺,并制备成p-CuCrO2/n-Si异质结,分析异质结的Ⅰ-V特性。研究结果总结如下:1)在衬底温度为500℃、溅射气压为1.0Pa、溅射功率为120W、溅射时间为120mmin、退火温度为800℃、不同氧氩比条件下制备的CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构;随着氧氩比的增大,CuCrO2薄膜出现了(006)衍射峰,且(110)峰逐渐消失,CuO和CuCr2O4相也基本消失了,氧气作为反应气体时会影响薄膜的生长取向;随着氧氩比的提高,CuCrO2薄膜的透光性能下降了,薄膜的光学带隙宽度变小,且薄膜的吸收峰向长波方向移动。氧氩比为0时,薄膜在可见光范围内的平均透射率最大,为79%,其光学带隙宽度为3.06eV。2)在衬底温度为500℃、氧氩比为0、溅射功率为120W、溅射时间为120min、退火温度为800℃、不同溅射气压条件下制备的CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构;随着溅射气压的增大,薄膜逐渐变得平整光滑,厚度也逐渐减小;随着溅射气压的升高,薄膜在可见光范围内的平均透射率提高了,当溅射气压为4.0Pa时,薄膜的可见光平均透射率最大为80%,且随着溅射气压的增大,薄膜的光学带隙宽度变小,薄膜的吸收峰向长波方向移动。3)在衬底温度为500。C、溅射气压为1.0Pa、氧氩比为1:4、溅射功率为120W、溅射时间为120min条件下制备薄膜,未经过退火处理的CuCrO2薄膜为非晶态;通过退火处理后,薄膜从非晶态转变为晶态,且都具有3R铜铁矿结构,随着退火温度的升高,CuO相逐渐减少,薄膜的结晶性能逐渐增强:当退火温度超过800℃后,薄膜中又出现CuO相,说明退火温度过高,会导致CuCrO2分解;随着退火温度的升高,薄膜的可见光透射率逐渐增大,薄膜的光学带隙宽度逐渐变大,薄膜的吸收峰向短波方向移动。当退火温度为800℃时,薄膜的平均可见光透射率最高,为70%,光学带隙宽度为3.06eV。4)在Si衬底上制备p型CuCrO2薄膜形成p-CuCrO2/n-Si异质结,不同退火温度制备的p型CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构,且不含有其他杂相。随着退火温度的升高,薄膜的颗粒逐渐减小,且颗粒变得均匀,薄膜中的孔隙缺陷逐渐减小,薄膜的结晶化程度逐渐提高,薄膜变得平整致密。5)不同退火温度下的p-CuCrO2/n-Si异质结都具有明显的整流特性,随着退火温度的升高,异质结的整流特性明显变好,异质结的开启电压逐渐减小,当退火温度为850℃时,异质结的开启电压最小为0.2V,在±2.0V偏压处,p-CuCrO2/n-Si异质结的正向电流和反向电流的比值的绝对值为73。
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