溅射法制备β-FeSi2薄膜及其性能的研究

论文摘要

利用磁控溅射法在硅和石英上沉积了不同厚度比的Fe/Si多层膜,通过退火制备了β-FeSi2薄膜。退火后发现硅衬底上结构为Fe（20nm）/Si（64nm）,Fe（2nm）/Si（6.4nm）和Fe（1nm）/Si（3.2nm）的多层膜完全生成β-FeSi2相,石英上相同结构的多层膜由于Fe和Si的含量没有达到1:2而含有ε-FeSi金属相。硅和石英上薄膜的表面粗糙度都很小,随着亚层厚度的增加,薄膜表面由凹凸不平变得平整光滑。由Fe（20nm）/Si（64nm）结构制备的薄膜表面颗粒尺寸均匀,结构致密,平整度最好。利用磁控溅射-贴片法在石英上制备了掺硼的p型β-FeSi2薄膜,通过调整B/Si面积比（B片与Si靶的面积比）来控制掺杂浓度。为了在石英上获得单相的β-FeSi2,提高了Fe/Si多层膜中Si的量,设定厚度比为Fe（2.26nm）/Si（7.7nm）。XRD图谱显示石英上B/Si面积比为0,2%,3%和5%的薄膜全部获得β-FeSi2单相。冷热探针法测定薄膜导电类型为p型,随着B/Si面积比的增加,薄膜的电阻率明显下降,由未掺杂的2.052Ω·cm下降到0.021Ω?cm。且由于硼原子的掺杂使薄膜的光学带隙变窄,晶粒长大。B/Si面积比为5%的薄膜电阻率最低,为0.021Ω?cm,光学带隙约为0.86eV。采用离子束溅射法在硅和石英上沉积了不同原子比的Fe/Si多层膜,通过后续退火制备了结晶质量较好的β-FeSi2薄膜。结果表明:由于离子束溅射的特殊性质,在硅和石英衬底上形成了以（422）方向择优生长的β-FeSi2薄膜。其中厚度比为Fe（2nm）/Si（7.4nm）的样品由于Si与Fe的原子比大于且最接近2,在退火后完全生成了β-FeSi2相,表面致密均匀,其光学带隙为0.84eV,能量为1.0eV光子的吸收系数大于105cm-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章绪论
• 2 的晶体结构'>1.1 β-FeSi₂的晶体结构
• 2 的光电性能'>1.2 β-FeSi₂的光电性能
• 2 的研究进展'>1.3 β-FeSi₂的研究进展
• 2 的制备方法'>1.4 β-FeSi₂的制备方法
• 1.5 本文研究思路及内容
• 2薄膜的制备与表征'>第二章β-FeSi₂薄膜的制备与表征
• 2.1 薄膜的制备
• 2.1.1 溅射设备
• 2.1.2 衬底的清洗
• 2.1.3 薄膜沉积速率的测定
• 2.1.4 薄膜沉积
• 2.1.5 后续退火
• 2.2 溅射原理及操作规程
• 2.2.1 磁控溅射原理
• 2.2.2 离子束溅射原理
• 2.2.3 磁控溅射沉积Fe/Si 多层膜的操作规程
• 2.2.4 离子束溅射沉积Fe/Si 多层膜的操作规程
• 2.3 薄膜的分析方法
• 2.3.1 X 射线衍射
• 2.3.2 原子力显微镜
• 2.3.3 近红外-紫外-可见分光光度计
• 2.3.4 四探针
• 2.3.5 霍尔效应仪与范德堡法
• 2.3.6 台阶仪
• 2薄膜及其性能研究'>第三章磁控溅射法制备β-FeSi₂薄膜及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 不同厚度比Fe/Si 多层膜样品的结构分析
• 3.2.1 Si（111）衬底上薄膜的结构分析
• 3.2.2 Si（100）衬底上薄膜的结构分析
• 3.2.3 石英衬底上薄膜的结构分析
• 3.3 不同厚度比Fe/Si 多层膜样品的形貌分析
• 3.3.1 Si（111）衬底上的形貌分析
• 3.3.2 石英衬底上的形貌分析
• 3.4 本章小结
• 2及其性能研究'>第四章 磁控溅射法制备掺杂的p 型β-FeSi₂及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 制备方法
• 4.3 结构分析
• 4.3.1 未掺杂样品的结构分析
• 4.3.2 掺杂样品的结构分析
• 4.4 电学性能分析
• 4.5 形貌分析
• 4.6 光学带隙的测定和分析
• 4.7 本章小结
• 2薄膜及其性能研究'>第五章 离子束溅射法制备β-FeSi₂薄膜及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 相同原子比Fe/Si 多层膜的结构分析
• 5.2.1 Si（111）衬底上薄膜的结构分析
• 5.2.2 石英衬底上薄膜的结构分析
• 5.3 不同原子比Fe/Si 多层膜的结构分析
• 5.3.1 Si（111）衬底上薄膜的结构分析
• 5.3.2 石英衬底上薄膜的结构分析
• 5.4 表面形貌分析
• 5.5 光学带隙的测定和分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参加科研项目情况