论文部分内容阅读
半导体型非晶Fe-Si薄膜室温具有与晶体β-FeSi2相似的半导体性能,是一种低耗、高效的光伏材料。它不仅能避免β-FeSi2成分局限、制备困难,还能避免硅基技术应用中晶体β-FeSi2与硅基体膜基界面失配等问题。这种新型半导体材料的制备与硅集成电路技术兼容,简单经济。它的潜在应用能与非晶硅相媲美,是非晶半导体中非常有前景的一种材料,有望应用到硅基光电器件、太阳能电池以及近红外探测器中。非晶中的近程序决定了非晶材料的性能。但目前没有关于非晶Fe100-xSix薄膜成分范围与半导体性能和局域结构对应的系统研究结果,而这恰恰是制备和合理利用非晶Fe100-xSix薄膜的前提。另外,在Fe-Si二元体系中引入其它元素M,不仅可以提高非晶形成能力,还能在保持其近程序的前提下,拓展其成分范围增加其应用的灵活性。因此,本文采用射频磁控溅射方法在Si(100)和Al2O3(0001)基片上制备了Fe100-XSix系(x=30.3～100at.%)非晶薄膜以及Fe-Si-C和Fe-Si-Mn三元非晶薄膜,并进行了薄膜的成分、微结构、带隙测量、退火晶化相、电阻率和热稳定性的分析。本文从实验和理论两方面确定了非晶Fe-Si成分与局域结构的联系,验证了非晶结构模型对非晶Fe100-Six局域结构解析的有效性。实验研究结果表明薄膜性能是分区变化的30.3≤x≤50 at.%无半导体性能区；50<x<87.5at.%,具有直接带隙半导体性能区；87.5≤x≤100 at.%,具有间接带隙半导体性能区。采用“[团簇](连接原子)1or3”非晶结构模型对薄膜的局域结构进行研究,从非晶Fe-Si相关晶体相ε-FeSi、β-FeSi2、Si的基础团簇[Fe-Si7Fe6]、[Fe-Si8Fe2]和[Si-Si4].出发,也可将成分与基础团簇关系图区分为上述三个主区域。长时间真空退火后吸收系数减小,光学带隙比较稳定(-0.92eV),不随退火时间和成分的变化而显著变化。第三组元Mn和C的加入对非晶薄膜的电阻率和光学带隙的影响很小,但是C的加入明显提高了非晶稳定性,明确了二元非晶薄膜的光学带隙及电阻率基本不受掺杂的影响,稳定性比较好。本研究对于明确非晶Fe100-xSix的局域结构和拓展具有半导体性能的非晶Fe100-xSix薄膜的应用具有实际指导意义。