环境半导体材料Ca2Si的制备及其光电特性研究

论文摘要

本文首次应用射频磁控溅射系统制备了环境半导体Ca2Si薄膜，并用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、椭圆偏振光谱仪和四探针仪研究了不同退火条件下薄膜的结构和特性。应用第一性原理对Ca2Si的能带结构及其光学性质进行了理论计算，并与实验结果进行了对比。首先简单介绍了环境半导体材料Ca2Si的研究现状，并详细地介绍了Ca2Si的磁控溅射制备技术，并对X射线衍射仪、扫描电镜、原子力显微镜、椭偏仪和四探针仪的工作原理及其特点作了简单介绍。研究了退火温度对Ca2Si薄膜生长的影响。对p型Si（100）衬底上Ca膜在不同温度（750℃，782℃，795℃，800℃，850℃）下退火60min，结果表明：800℃是生长Ca2Si薄膜的最佳热处理温度，并且生长了较大的晶粒。运用椭圆偏振光谱仪对Ca2Si的光学性质进行了测试，结果表明，在1.5eV—4.5eV光子能量范围内，随着光子能量的增大，Ca2Si薄膜的折射率n先减小后增大，在4.3eV附近取得最小值；其消光系数k呈相反变化趋势，在3.3eV附近取得极大值。应用四探针仪对p型Si（100）衬底上生长的Ca2Si薄膜进行了测试，结果表明，增加退火温度，电阻率增大。研究了退火时间对Ca2Si薄膜生长的影响。800℃温度下对不同衬底上Ca膜进行不同时问（30min，45min，60min，90min）的退火，XRD结果显示：在n型Si（111）衬底上生长了比较单一的Ca2si3薄膜，在p型Si（100）衬底上生长了比较单一的Ca2Si薄膜。椭圆偏振光谱仪测试结果表明：随着光子能量的增大，Ca2Si薄膜的折射率n先减小后增大，在4.3eV附近取得极小值；其消光系数k先增大后减小，在3.3eV附近取得极大值。四探针测试结果显示增加退火时间，Ca2Si薄膜电阻率增大。最后采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对Ca2Si的能带结构以及光学性质进行了理论计算。计算结果表明：立方相和正交相的Ca2Si都是直接带隙半导体；立方相Ca2Si在GGA和LDA近似下的带隙值分别为0.5663eV和0.4117eV；正交相Ca2Si在GGA和LDA下的带隙值分别为0.3193eV和0.1365eV。态密度分析表明Ca2Si的价带由Ca的4s，4p、3d态和Si的3p态构成；Ca2Si的导带主要是由钙的3d，4s，4p态构成，硅的3s，3p对导带的贡献相对要小得多。对Ca2Si的光学性质的理论计算表明，在1.5eV-4.5eV能量范围，计算结果与椭偏仪对样品的测试结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 什么是环境友好材料
• 1.1.1 材料可持续发展的产物──环境友好材料
• 1.1.2 材料中主要元素的环境和资源特征
• 2Si 材料的研究现状'>1.2 Ca₂Si 材料的研究现状
• 2Si 材料的应用前景及存在的问题'>1.3 Ca₂Si 材料的应用前景及存在的问题
• 1.4 本人所做的工作
• 1.5 论文的结构安排
• 2Si 材料的制备方法与表征手段'>第二章 Ca₂Si 材料的制备方法与表征手段
• 2Si 材料的制备技术'>2.1 Ca₂Si 材料的制备技术
• 2.1.1 化学计量熔融法
• 2.1.2 蒸发加热处理两步法
• 2.1.3 磁控溅射方法
• 2.1.4 高真空退火设备简介
• 2Si 材料的性能表征手段'>2.2 Ca₂Si 材料的性能表征手段
• 2.2.1 X 射线衍射仪
• 2.2.2 扫描电镜
• 2.2.3 原子力显微镜
• 2.2.4 椭圆偏振光谱仪
• 2.2.5 四探针测试仪
• 2.3 小结
• 2Si 薄膜生长的影响'>第三章 退火温度对 Ca₂Si 薄膜生长的影响
• 2Si 薄膜的制备'>3.1 Ca₂Si 薄膜的制备
• 3.1.1 靶材与基片的清洗
• 3.1.2 样品的制备过程
• 3.2 X 射线衍射仪测试与分析
• 3.3 扫描电镜测试与分析
• 3.4 椭圆偏振光谱仪测试与分析
• 3.5 原子力显微镜测试与分析
• 3.6 四探针测试与分析
• 3.7 小结
• 2Si 薄膜生长的影响'>第四章 退火时间对 Ca₂Si 薄膜生长的影响
• 2Si 薄膜的制备'>4.1 Ca₂Si 薄膜的制备
• 4.2 X 射线衍射仪测试与分析
• 4.3 扫描电镜测试与分析
• 4.4 原子力显微镜测试与分析
• 4.5 椭偏仪测试与分析
• 4.6 四探针测试与分析
• 4.7 小结
• 2Si 能带结构以及光学性质的计算'>第五章 Ca₂Si 能带结构以及光学性质的计算
• 5.1 引言
• 5.2 CASTEP计算软件
• 2Si 电子结构以及光学性质的计算'>5.3 Ca₂Si 电子结构以及光学性质的计算
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 计算结果和分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 主要参考文献
• 附录:发表文章以及所参与的课题研究