β-FeSi2型多元非晶合金的设计及表征

作     者：郑月红 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李晓娜

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：非晶薄膜 磁控溅射 β-FeSi2 光电性能 半导体 

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问题,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应用。 由于非品FeSi2光电性能强烈依赖于非晶态中的短程有序,本文从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,采用吸铸法制备了Fe4Si8-xMx（M=Sn、C、Al）合金棒样品,还用磁控溅射的方法在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,寻找提高非配,形成能力和非晶相稳定性的有效途径,为非晶FeSi2的合成和应用打下良好基础。通过分析主要结论如下： （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,带隙宽度从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,结构分析B、Cr、Ni、Co四种元素对于退火后晶化过程的作用是不同的。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明显,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。