O半導(dǎo)體彌散復(fù)合薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜及其制備方法，尤其是一種具有金屬級(jí)電阻率和半導(dǎo)體帶隙雙重特性的Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化亞銅(化學(xué)式Cu2O)為一價(jià)銅的氧化物，屬赤銅礦結(jié)構(gòu)，其電阻率為3 X 16 Ω.cm，帶隙寬度為2.17eV，是一種直接帶隙P型半導(dǎo)體材料。由于Cu2O具有優(yōu)良的光電和化學(xué)特性，以及成本低廉、制備容易和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，使Cu2O薄膜成為一種具有廣泛用途的材料，在太陽(yáng)能電池(參見文獻(xiàn):1.Han K，Tao M，Sol Energy Mater Sol Cells，2009,93:153 ；2.Loferski J J，J Appl Phys,1956, 27:777 ;3.Tanaka H，Shimakawa T，Miyata T et al, Thin Solid Films，2004，469-470:80 ;4.Mittiga A, Salza E, Sarto F etal，Appl Phys Lett，2006，88:163502)、光催化(參見文獻(xiàn):1.Zheng Z，Huang B,ffang Z etal, J Phys Chem C，2009，113:14448 ;2.Yu H，Yu J，Mann S et al，Chem Mater，2007，19:4327 ;3.Zhang Y，Deng B，Zhang T et al, J Phys Chem C，2010，114:5073 ;4.Zhang J,ZhuH，Zheng S et al,Appl Mater Interfaces，2009，1:2111 ;5.Huang L，Zhang S，Peng F etal, Scripta Mater，2010，63:159)和電極材料(參見文獻(xiàn):1.Tachibana Y，Muramoto R，Matsumoto H et al, Res Chem Intermed，2006，32:575)等領(lǐng)域均有潛在的應(yīng)用。理論計(jì)算結(jié)果表明，Cu2O太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)光-電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18% (參見文獻(xiàn):1.Loferski JJ, JAppl Phys, 1956，27:777-784)，但是到目前為止，文獻(xiàn)中報(bào)道的Cu2O太陽(yáng)能電池的最高效率僅為 2% (參見文獻(xiàn):1.MittigaA，Salza E，Sarto F et al，Appl Phys Lett，2006，88:163502)。其中很重要的一個(gè)原因就是Cu2O薄膜具有較低的載流子濃度和迀移率，使得薄膜太陽(yáng)能電池的總電阻率很高(參見文獻(xiàn):1.Han X，Han K，Tao M, Thin Solid Films, 2010,518:5363-5367 ；2.Han K，Tao M，Sol Energy Mater&Sol Cells，2009，93:153-157)。此外，雖然Cu2O具有較窄的帶隙，能夠較好地利用太陽(yáng)光，但是由于其電阻率較高以及晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性車交差(參見文獻(xiàn):I.Gerischer H，J Electroanal Chem Interfacial Electrochem,1977,82:133)，一定程度上限制了它作為太陽(yáng)能電池電極材料的應(yīng)用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種具有金屬級(jí)電阻率和太陽(yáng)窗口半導(dǎo)體帶隙的Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜及其制備方法。
[0004]本發(fā)明的薄膜的技術(shù)方案為:
[0005]一種金屬電阻率Cu/Cu20半導(dǎo)體彌散復(fù)合薄膜，所述薄膜中Cu和Cu2O組分彌散均勻分布，摩爾比例為10: 1，薄膜厚度約為72nm，電阻率為(5.23?9.98) X 10_5 Ω.cm，禁帶寬度為(2.23?2.47) eV。
[0006]本發(fā)明的方法的技術(shù)方案為:一種金屬電阻率Cu/Cu20半導(dǎo)體彌散復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0007]I)采用JGP500A型平衡磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，先將干凈的玻璃片固定在樣品盤上，再將高純銅靶安裝在濺射源上；
[0008]2)關(guān)上腔門抽高真空，然后通高純氬氣，并調(diào)節(jié)高閥保持腔室氣壓恒定；
[0009]3)在直流100W的功率下對(duì)銅靶預(yù)濺射10分鐘，以除去銅靶表面可能的氧化層；
[0010]4)調(diào)節(jié)濺射功率，打開樣品擋板，通過(guò)改變襯底偏壓在玻璃襯底上沉積了 Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟I)中，所述銅革E的純度為99.99wt.%。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟I)中，所述濺射源為直流濺射源。
[0013]進(jìn)一步，所述步驟2)中，所述高真空為5.0X 10_4Pa，所述氬氣的流量和純度分別為15sccm和99.999wt.%，所述腔室氣壓為0.1pa0
[0014]進(jìn)一步，所述步驟4)中，所述濺射功率為直流40W。
[0015]進(jìn)一步，所述步驟4)中，所述襯底偏壓為直流(O?-200) V。
[0016]進(jìn)一步，所述步驟4)中，所述沉積的溫度為室溫，沉積的速率和時(shí)間分別為0.03nm/s 和 40 分鐘。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新性在于:
[0018]I)本發(fā)明所制備的Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜具有金屬級(jí)電阻率和太陽(yáng)窗口半導(dǎo)體帶隙的雙重特性，其中電阻率為(5.23?9.98)Χ10_5Ω.cm，禁帶寬度為(2.23?2.47) eV。
[0019]2)本發(fā)明未通入氧氣，銅原子氧化的主要?dú)庠词歉哒婵涨皇抑袣堄嗟难鯕?，區(qū)別于傳統(tǒng)做法一一通氧氣和氬氣混合氣體來(lái)反應(yīng)濺射制備氧化物薄膜。這在一定程度上特別是在工業(yè)大批量生產(chǎn)中降低了制備成本。
[0020]3)本發(fā)明采用平衡磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，襯底的偏壓效應(yīng)不同于非平衡磁控濺射鍍膜方式。對(duì)于平衡磁控濺射鍍膜方式，由于磁場(chǎng)較好地被束縛在靶材表面附近，使得襯底即使加上負(fù)偏壓，氬離子也較難運(yùn)動(dòng)到襯底對(duì)正在生長(zhǎng)的薄膜進(jìn)行轟擊，從而非平衡磁控濺射過(guò)程中常見的氬離子轟擊和再濺射效應(yīng)可以被忽略(參見文獻(xiàn):1.Su J B，Wang H H，Jiang M P et al, Mater Lett，2013，102-103:72)。取而代之的是，在襯底負(fù)偏壓作用下，入射到襯底附近的銅原子和氧化亞銅分子發(fā)生了極化，它們將在電場(chǎng)的引導(dǎo)下在襯底上進(jìn)行選擇性、加速沉積。同時(shí)由于電場(chǎng)的束縛作用，平衡磁控濺射過(guò)程中施加偏壓的做法將導(dǎo)致所沉積的薄膜出現(xiàn)一定程度的裂縫或多孔結(jié)構(gòu)，這有利于提高薄膜的比表面積。
[0021]4)本發(fā)明所制備的Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜具有大面積、均勻和表面平整的特點(diǎn)。
[0022]5)本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜的掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖2為Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜的X射線衍射譜圖；
[0025]圖3 (a)為Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜的電阻率P隨襯底偏壓Vs的變化關(guān)系圖；3 (b)為Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜的禁帶寬度Eg隨襯底偏壓V 3的變化關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明采用平衡磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，通過(guò)直流物理濺射高純銅靶，在玻璃襯底上沉積了 Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜，并通過(guò)控制襯底偏壓來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)合薄膜的電阻率和禁帶寬度。
[0028]圖1為實(shí)施例1?5制備的Cu/Cu20彌散復(fù)合薄膜的掃描電子顯微鏡照片。其中，實(shí)施例1: (a-b)，實(shí)施例2: (c-d)，實(shí)施例3: (e-f)，實(shí)施例4: (g_h)，實(shí)施例5: (i_j);左圖(a, c，e，g，i)的標(biāo)尺均為200nm ;右圖(b，d，f，h，j)的標(biāo)尺均為10nm0從左圖低放大倍數(shù)照片(a，c，e，g，i)可以看出，所有薄膜樣品都表現(xiàn)出大面積、均勻和表面平整的特點(diǎn)。進(jìn)一步地，右圖高放大倍數(shù)照片(b，d，f，h，j)顯示了不同偏壓下薄膜樣品表面形貌的細(xì)節(jié)與區(qū)別。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，薄膜樣品表面都呈現(xiàn)出“花菜”狀的形貌，但是不同偏壓下薄膜的致密程度有所不同。當(dāng)襯底偏壓Vs= OV和-50V時(shí)，薄膜表面出現(xiàn)了許多納米級(jí)的縫隙，薄膜顯得疏松；當(dāng)襯底偏壓Vs= -100V時(shí)，