掺氮氧化亚铜的研究

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Cu2O是一种直接带隙半导体材料,其禁带宽度大约为2.0eV,并且具有吸收系数高、储量丰富、无毒型及稳定等优点,适应用于光伏器件和光催化等领域。未掺杂的Cu2O是p型导电的半导体,其电学性能一般,为了提高其电学性能,通常会采用掺杂等方法来增加载流子浓度及减小电阻率等。氮掺杂可以有效地提高Cu2O薄膜的空穴浓度以及降低电阻率,现有的利用磁控溅射法制备掺氮Cu2O薄膜的研究工作中,都是固定溅射压强以及其它参数但增加N2流量来实现Cu2O的掺氮,另外热处理对掺氮Cu2O薄膜性能的影响也有待研究。本文通过改变溅射压强且在其它参数不变的条件下实现了Cu2O的氮掺杂,另外还研究了热处理对掺氮氧化亚铜的光学和电学性质的影响。我们发现:低溅射压强有利于氮掺杂,高溅射压强条件下氮难以进入到Cu2O中;氮在Cu2O中有三种状态,即原子态和两种分子态,分子态分别为α-N2(-N=N-)及γ-N2(N≡N);一定条件的热处理对掺氮Cu2O的电学和光学性能的影响不大;热处理使得原子态的氮消失,分子态的α-N2(-N=N-)部分转变为分子态的γ-N2(N≡N)。本论文共分五章。第一章介绍了太阳能电池基本原理和Cu2O的性质及制备等。第二章介绍了采用直流磁控溅射法制备掺氮Cu2O薄膜,还介绍了本文采用的各种表征手段和仪器。在本文的第三章,我们首先是制备出来纯相的Cu2O薄膜。接着对纯相的Cu2O薄膜在Ar以及Ar和N2的气氛环境中进行热处理,得到在这两种环境下退火Cu2O薄膜并不会改变其成分,以及氮并不会热扩散进入Cu2O薄膜中去。然后我们固定其他参数改变溅射压强,研究不同溅射压强对制备掺氮Cu2O薄膜的影响,发现较低溅射压强有利于氮掺杂,氮在氧化亚铜中以原子态和两种分子态的形式存在。在本文的第四章,我们对制备出来的掺氮Cu2O薄膜进行热处理,并将实验分为两组,第一组是改变退火时间,观察样品在Ar以及Ar和N2的气氛环境退火后的变化;第二组是改变退火温度,观察样品在Ar以及Ar和N2的气氛环境退火后的变化。实验结果表明,较高温度退火会使薄膜中出现少量的Cu单质。并且会使掺入薄膜中氮状态发生变化,原子态的氮消失,分子态的α-N2(-N=N-)部分转变为分子态的γ-N2(N≡N)。但总体而言,退火没有对掺氮Cu2O薄膜造成破坏,也没有对Cu2O薄膜的光学和电学性质造成明显的影响。相关内容的总结及创新点等放在了本文的第五章。
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