磁控溅射βFeSi_2型多元非晶合金设计与表征查抄袭率理工

摘要：非晶FeSi2与晶态β-FeSi2相似,具有半导体性能,室温下有0.890.90eV的自接带隙,且长程无序状态的非晶态β-FeSi2能有效回避品格失配、缺陷以及多相掺杂等不足,易于大面积生长,制备工艺简单。所以非晶FeSi2有望替代品态β-FeSi2,实现铁硅化物在能源领域的大规模运用。由于非品FeSi2光电性能强烈依赖于非晶态中的短程有序,本论文以β-FeSi2相的基本团簇出发,利用“团簇+连接原子”结构模型设计成分,采取吸铸法制备了Fe4Si8-xMx(M=Sn、C、Al)合金棒样品,还用磁控溅射的策略在Si(100)和Al2O3(0001)制备了Fe3M1Six(M=B、Cr、Ni、Co)和Fe-Si-Al系薄膜样品。旨在选择合适的第三组元进行合金化,考察合金化对非晶形成能力和光电性能的影响,寻找提升非配,形成能力和非晶相稳定性的有效途径,为非晶FeSi2的合成和运用打下良好基础。通过浅析主要结论如下：(1)由于冷却速度不够,铸态合金棒样品均为晶体多相共存的状态,添加C和Sn的样品还出现了不同程度的偏析现象。在850℃/12h退火后,各合金棒中有较多的β相生成；且偏析的SiC有熔解迹象,如果进一步退火,有望得到较为均匀的组织；但偏析的Sn在退火后仍团聚在一起,说明添加Sn来制备β相是不可行的。(2)溅射态薄膜样品均为非晶态,并且当B、Cr和Al作为第三组元时,制备出了具有半导体性能的非晶薄膜,且第三组元不同,制备的非晶薄膜其带隙变化范围不同。在Fe3Cr1Six(3.8≤x≤17.3)系薄膜中,随着x含量的增加,即Cr含量的减少,带隙宽度以0增加到0.65eV；在Fe3B1Six(5.4≤x≤9.9)系薄膜中,随着x含量的增加,带隙在0.65～0.60eV小范围内变化；添加Al时,带隙在0～0.60eV之间。霍尔效果表明,当B和Al作为第三组元时,迁移率(101量级)和载流子浓度(1019～1020量级)可达到与二元β-FeSi2薄膜相近。(3)对Fe3M1Six(M=B、Cr、Ni、Co)系列中部分样品进行850℃/4h退火处理后,结构浅析B、Cr、Ni、Co四种元素对于退火后晶化历程的作用是不同的。相比较而言,Fe2.7Si8.4B0.9薄膜具有单一的β相且半导体性能较为显著,其电阻率为0.17Q·cm、载流子浓度为2.8×1020cm-3,迁移率为0.13cm2/V·s,带隙宽度约为0.65eV。所以引入合适的第三组元可以扩展β相相区,并实现晶态三元β型硅化物薄膜与二元β-FeSi2薄膜的平导体性能相近。关键词：非晶薄膜论文磁控溅射论文β-FeSi_2论文光电性能论文半导体论文

摘要4-5

Abstract5-9

引言9-10

1 绪论10-17

1.1 半导体过渡金属硅化物10-12

1.2 β-FeSi_2的性能12-14

1.2.1 β-FeSi_2的基本性能12-13

1.2.2 β-FeSi_2/Si组合的光电性能探讨及运用13

1.2.3 β-FeSi_2热电性能的改善13-14

1.3 非晶态Fe-Si薄膜14-15

1.4 本课题的作用及主要内容15-17

2 合金的成分设计、制备及表征17-25

2.1 成分设计17-19

2.2 样品制备19-22

2.2.1 块体样品的制备19-20

2.2.2 薄膜样品的制备20-21

2.2.3 样品的退火21-22

2.3 样品的表征策略22-25

2.3.1 成分浅析策略22

2.3.2 微结构浅析策略22-23

2.3.3 光电性能浅析策略23-25

3 Fe_4Si_(8-x)N_x(M=C、Sn和Al)系体材料25-34

3.1 Fe-Si-C三元体材料25-28

3.2 Fe-Si-Sn三元体材料28-30

3.3 Fe-Si-Sn-C四元体材料30-31

3.4 Fe-Si-Al三元体材料31-33

3.5 本章小结33-34

4 Fe-Si-M系三元薄膜34-66

4.1 Fe_3Si_8M_1(M=B、Cr、Ni、Co)型三元薄膜34-42

4.1.1 薄膜成分浅析34

4.1.2 薄膜退火前后的结构浅析34-39

4.1.3 薄膜退火前后性能的比较39-41

4.1.4 小结41-42

4.2 Fe_3Cr_1Si_x系三元薄膜42-56

4.2.1 溅射态Fe_3Cr_1Si_x系薄膜的成分浅析42

4.2.2 溅射态Fe_3Cr_1Si_x系薄膜的结构浅析42-44

4.2.3 溅射态Fe_3Cr_1Si_x系薄膜的性能浅析44-45

4.2.4 小结45-46

4.2.5 退火后Fe_3Cr_1Si_x系薄膜的结构浅析46-54

4.2.6 退火后Fe_3Cr_1Si_x系薄膜的性能浅析54-56

4.2.7 小结56

4.3 Fe_3B_1Si_x系三元非晶薄膜56-60

4.3.1 成分浅析56-57

4.3.2 结构浅析57-58

4.3.3 性能浅析58-59

4.3.4 小结59-60

4.4 Fe-Si-Al系三元非晶薄膜60-66

4.4.1 成分浅析60-61

4.4.2 结构浅析61-63

4.4.3 性能浅析63-65

4.4.4 小结65-66

结论66-67