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单晶zns薄膜的制备及氮离子注入后的光学性质研究

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单晶ZnS薄膜的制备及氮离子注入后的光学性质研究

作者：赵彬豪新疆大学

学位级别：硕士

硫化锌(zns)作为一种重要的宽禁带半导体材料,由于其表现出来的优异的光电性质,在薄膜晶体管、光电探测器、太阳能电池等应用领域具有极大的经济价值,吸引了科研工作者的研究兴趣。调研发现,薄膜材料的表面形貌和结晶质量对其理化性质... 详细信息

硫化锌(zns)作为一种重要的宽禁带半导体材料,由于其表现出来的优异的光电性质,在薄膜晶体管、光电探测器、太阳能电池等应用领域具有极大的经济价值,吸引了科研工作者的研究兴趣。调研发现,薄膜材料的表面形貌和结晶质量对其理化性质有着重要影响,所以改善制备工艺条件,获得优质薄膜材料对于研究其理化性质是关键的。本文首先在Si片上利用脉冲激光沉积技术(PLD)制备了zns薄膜,研究了不同退火温度对zns薄膜的结晶性能的影响。然后,利用离子注入技术对zns薄膜进行了氮离子掺杂处理,研究了zns:N体系的结构形貌以及光学性能的变化。具体研究内容如下:(1)纯度为99.99%的zns陶瓷靶材作为沉积源,利用Nd:YAG型固体激光器脉冲激光沉积系统(Pulsed Laser Deposition,PLD)在单晶硅片衬底上沉积硫化锌薄膜,然后在原位条件下进行退火处理,研究退火温度对薄膜结晶性能的影响。X射线衍射分析表明制备的zns薄膜为闪锌矿型,并且薄膜在未退火时结晶质量较差,薄膜表面粗糙度较大。经过退火处理后发现薄膜的晶粒尺寸随着退火温度的升高而增大,同时薄膜的表面粗糙度随着退火温度的升高逐渐减小,退火处理明显改善了zns薄膜的结晶质量。采用脉冲激光沉积技术,我们制备出了沿(111)方向择优生长的闪锌矿型zns薄膜。(2)氮离子的掺杂改性研究:通过离子注入技术实现对制备的单晶zns薄膜掺杂氮处理。X射线衍射测试结果显示,薄膜进行氮离子掺杂注入后zns薄膜仍是闪锌矿结构且沿着(111)晶面择优生长,但是出现晶粒尺寸增大的现象,这与杂质离子氮的引入有关。SEM和AFM分析结果发现,随着氮离子注入能量的增大,薄膜的表面粗糙度也随之增大。主要是氮离子在高能量注入薄膜时,对薄膜的结构破坏性更加严重,造成其表面粗糙度增大。紫外可见光谱分析发现注入氮离子后,薄膜的光吸收限蓝移,同时其禁带宽度增大。荧光光谱分析发现氮离子掺杂后,zns薄膜在420 nm和440 nm的光致发光强度显著增强,使得zns:N材料具有应用于发光器件的潜在价值。

关键词： zns薄膜脉冲激光沉积离子注入蓝移

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透明zns薄膜材料生长及其性能研究

透明ZnS薄膜材料生长及其性能研究

作者：李英龙武汉科技大学

学位级别：硕士

本论文采用溅射和蒸镀方法沉积了Zn/S/Zn(ZSZ)三层结构薄膜,然后通过在1atm压力的Ar气氛中退火制备出zns薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及紫外-可见分光光度计等对薄膜进行了表征,研究了退火和沉积时间对薄膜结构和光学性能... 详细信息

本论文采用溅射和蒸镀方法沉积了Zn/S/Zn(ZSZ)三层结构薄膜,然后通过在1atm压力的Ar气氛中退火制备出zns薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及紫外-可见分光光度计等对薄膜进行了表征,研究了退火和沉积时间对薄膜结构和光学性能的影响。ZSZ薄膜在氩气中退火后,转变为六方结构zns薄膜,且沿(111)晶面择优生长。所得zns薄膜在可见光范围内平均光透过率高达约80%,且均匀致密。随着退火温度的升高,zns薄膜结晶性能得到改善。最佳的退火温度和时间分别为400℃和1h。ZSZ薄膜中S/Zn原子比对薄膜光学性能有影响,过量S或Zn会降低薄膜光透过率。在最佳的沉积时间下制备的ZSZ薄膜,经过400℃和1h退火可以生长出S/Zn原子比值较佳和光学性能良好的zns薄膜,其光学带隙为3.62eV。

关键词： ZSZ薄膜 zns薄膜溅射蒸发退火

太阳能电池CuInS2薄膜和zns薄膜的制备与性能研究

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太阳能电池CuInS2薄膜和ZnS薄膜的制备与性能研究

作者：张兴良武汉理工大学

学位级别：硕士

CuInS2（CIS）作为一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型无机三元半导体化合物,是直接带隙的半导体,吸收系数较大,大约为104-105cm-1,其光学禁带宽度为1.50 eV左右,非常接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度1.45 eV。与CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太... 详细信息

CuInS2（CIS）作为一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型无机三元半导体化合物,是直接带隙的半导体,吸收系数较大,大约为104-105cm-1,其光学禁带宽度为1.50 eV左右,非常接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度1.45 eV。与CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太阳能电池材料相比,CuInS2不含任何有毒的成分,是一种非常具有发展前途的太阳能电池材料。目前,CIGS基薄膜太阳能电池的制备多采用CdS薄膜作为缓冲层,但CdS的薄膜禁带宽度只有2.4 eV,对电池吸收层的短波响应有一定的影响,而且CdS中的Cd是有毒重金属,与之相应的安全措施也增大了工业化成本,CdS的使用也不利于环境保护。因此,研究和开发无镉CIS/CIGS太阳电池已成为全球研究此类电池的热点。zns是一种n型Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体化合物,zns薄膜因其对环境友好,宽光学带隙（3.5-3.8 eV）,制备成本低廉,而成为替代CdS薄膜缓冲层的优选材料之一。论文围绕CuInS2薄膜太阳能电池材料进行了相关研究。采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备了Mo背电极;采用了磁控溅射沉积铜铟合金预置膜,再进行N2保护下固态硫化热处理的方法制备铜铟硫太阳能电池吸收层材料;采用化学浴方法制备了替换CdS缓冲层的zns薄膜材料。深入分析了薄膜的制备工艺对薄膜的光学性能、物相结构、电学性能、表面形貌等的影响和相关机理。采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、紫外可见光谱（UV-vis）等测试手段对样品的相关性能进行了测试和表征。主要研究结果如下：（1）采用磁控溅射法制备的Mo背电极与玻璃基片附着良好,电阻较低（3.2Ω/cm）。（2）所制备的CuInS2薄膜表面平整、结构致密。实验结果表明,硫化热处理温度对CuInS2的晶相形成具有重要影响,500℃开始出现CuInS2相,550℃形成高质量结晶,并且CuInS2薄膜呈（103）面择优取向生长。Tauc法得到的CuInS2薄膜光学带隙随着热处理温度的上升而逐渐减小。在550℃硫化热处理6h后CuInS2薄膜的XRD图谱中出现了对应于黄铜矿结构的（103）、（220）、（312）CuInS2晶体的衍射峰,SEM图片显示晶体颗粒为片状,尺寸在1μm,光学带隙为1.5 eV,更适合作为CuInS2吸收层。（3）化学浴法制备的zns薄膜为非晶薄膜,在沉积温度为80℃、沉积时间1 h的条件下所制备薄膜的厚度为60.7 nm,薄膜透过率超过85%,光学带隙在3.8-3.9 eV范围之间变化。化学浴法制备的zns薄膜适合CIS/CIGS太阳电池中替换CdS缓冲层材料。

关键词：磁控溅射化学浴 CuInS2薄膜 zns薄膜

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化学水浴制备zns薄膜的研究

化学水浴制备ZnS薄膜的研究

作者：刘庭芝南昌大学

学位级别：硕士

zns是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物直接带隙半导体材料，禁带宽度为3.6-3.8ev，在光电方面有很好的应用。国内对用化学水浴法制备zns薄膜一直没有重视，很少有单位研究。该法的优势在于工艺简单有效、制备面积大、成本低、设备简单、不要求真空系... 详细信息

zns是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物直接带隙半导体材料，禁带宽度为3.6-3.8ev，在光电方面有很好的应用。国内对用化学水浴法制备zns薄膜一直没有重视，很少有单位研究。该法的优势在于工艺简单有效、制备面积大、成本低、设备简单、不要求真空系统、沉积温度较低;可生长出稳定性好、质量高的多晶或非晶半导体薄膜。但该法存在重复性差、溶液中的均相沉淀进入衬底形成薄膜难以消除等缺点。本论文系统地研究了采用CBD法制备zns薄膜的各种影响因素，并结合对zns薄膜生长机理的探讨，提出了优化的溶液配方和工艺条件。采用联氨体系的溶液配方，运用金相显微镜和SEM、EDS、XRD、nkd薄膜分析系统等手段，具体考察了组分变化、沉积温度与沉积时间对所沉积zns薄膜的形貌、成分、结构、透过率、反射率、消光系数、禁带宽度和折射率等薄膜结构和性能的影响。 1．组分变化的影响：分别考察了联氨溶液体系中氨浓度、硫脲浓度、硫酸锌浓度、联氨浓度对薄膜沉积过程和薄膜质量的影响。实验表明：氨浓度不大于1.50M，可制得平整性和透过率较好(中长波透过率在95％以上)的、禁带宽度较高(3.81ev)的非晶zns薄膜;增加的硫脲浓度主要是促进氨的水解与S的生成，提高所沉积的薄膜在短波段的透过率;硫酸锌浓度对薄膜沉积过程的影响表现在开始提高硫酸锌浓度时有利于Zn进入衬底成膜，提高了沉积速率，进一步提高浓度时，更多Zn进入溶液形成沉淀，造成成膜速率下降。同时硫酸锌浓度对薄膜透过率影响显著;联氨浓度对薄膜在整个波段上的透过率均有显著影响，同时也对薄膜抗反射性的波长位置和波长范围均有较大影响;总体上，溶液组分变化对薄膜的沉积影响非常灵敏，不易控制。 2．沉积温度影响：随着温度的增加，会改善试剂或离子的水解、吸附、释放、沉积与迁移状况，提高薄膜的沉积速率，但不会改善薄膜的结晶性;温度过高，会导致均相沉淀进入，造成薄膜质量下降。薄膜的透过率随温度呈波浪形变化，反射率则先升高后降低。 3．沉积时间的影响;溶液的PH值、薄膜厚度与薄膜的沉积时间有很大关系，薄膜生长可分两个阶段：线性生长阶段与饱和阶段。在线性生长阶段中，薄

关键词：化学水浴 zns薄膜联氨体系透过率禁带宽度

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厚度对zns薄膜结构和应力的影响

合肥工业大学学报（自然科学版） 2007年第1期30卷 7-10页

作者：马锦马云芳宋学萍孙兆奇安徽大学物理与材料科学学院安徽合肥230039

用射频磁控溅射法在单晶Si基片上制备了4种不同厚度的zns膜,采用XRD和光学干涉相移法对薄膜的微结构和应力进行研究。结构分析表明,不同厚度的zns膜均呈多晶状态,并有明显的(220)晶面择优取向,晶体结构为立方晶型(闪锌矿)结构;随着薄膜... 详细信息

用射频磁控溅射法在单晶Si基片上制备了4种不同厚度的zns膜,采用XRD和光学干涉相移法对薄膜的微结构和应力进行研究。结构分析表明,不同厚度的zns膜均呈多晶状态,并有明显的(220)晶面择优取向,晶体结构为立方晶型(闪锌矿)结构;随着薄膜厚度的增加,平均晶粒尺寸随之增大;薄膜的晶格常数在不同厚度下均比标准值稍大。应力分析表明,随着膜厚的增加,zns膜的应力差减小,在厚度为768 nm时的选区范围内应力差最小,应力分布较均匀。

关键词： zns薄膜射频磁控溅射膜厚微结构

硫化反应生长zns薄膜的结构和光学性能研究

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武汉科技大学学报 2016年第5期39卷 343-347页

作者：李英龙张仁刚宋力刚卓雯陈书真武汉科技大学理学院湖北武汉430065

以物理气相沉积中的溅射和蒸发方法,在玻璃衬底上沉积Zn/S/Zn三层膜结构,然后在1atm压力的Ar气氛中退火制备zns薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见透射光谱对zns薄膜的晶体结构和光学性质及其生长机理进行研究... 详细信息

以物理气相沉积中的溅射和蒸发方法,在玻璃衬底上沉积Zn/S/Zn三层膜结构,然后在1atm压力的Ar气氛中退火制备zns薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见透射光谱对zns薄膜的晶体结构和光学性质及其生长机理进行研究。结果表明,在450℃温度下退火时,三层膜结构中高活性Zn和S容易发生硫化反应,形成的zns薄膜为立方晶体结构,沿(111)晶面择优生长;其zns特征吸收边出现在350nm附近,在可见光波长范围内,zns薄膜具有约80%的透光率;在450℃温度下退火后再于550℃温度下退火,所制zns薄膜的结晶性得到进一步提高。

关键词： zns薄膜溅射蒸发退火透光率晶体结构硫化反应

退火温度对电子束蒸发的zns薄膜性能的影响

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电子元件与材料 2010年第11期29卷 55-57页

作者：赖松林程树英黄红梁林珊福州大学物理与信息工程学院微纳器件与太阳能电池研究所福建福州350108

为了获得光电性能好的zns窗口层薄膜,采用电子束蒸发法在玻璃基片上沉积zns薄膜,研究退火温度（200－500℃）对zns薄膜的结构和光电性能的影响。结果表明：所制备的薄膜均为闪锌矿结构的β-zns多晶薄膜,导电类型为n型。随着退火温度的增... 详细信息

为了获得光电性能好的zns窗口层薄膜,采用电子束蒸发法在玻璃基片上沉积zns薄膜,研究退火温度（200－500℃）对zns薄膜的结构和光电性能的影响。结果表明：所制备的薄膜均为闪锌矿结构的β-zns多晶薄膜,导电类型为n型。随着退火温度的增高,薄膜结晶度和光电性能都变好。但是,当退火温度过高（500℃）时,薄膜的半导体特性反而变差。退火温度为400℃时,zns薄膜的性能最佳,此时薄膜的透过率较高;电阻率较低,为246.2Ω·cm。

关键词： zns薄膜电子束蒸发退火温度光电性能

光快速热处理对化学水浴法合成的zns薄膜的微结构和光学性质的影响

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郑州大学学报（理学版） 2014年第4期46卷 40-44页

作者：朱贺杰郭瑞芳郜小勇张飒刘红涛郑州大学物理工程学院河南郑州450001

采用化学水浴法,以乙酸锌、硫脲、氨水和去离子水为反应前驱物制备了Zn S薄膜.采用SEM、XRD、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究了光快速热处理温度(Trtt)对Zn S薄膜的表面形貌、结晶和光学性能的影响,同时对Zn S薄膜的形成机理做了分析... 详细信息

采用化学水浴法,以乙酸锌、硫脲、氨水和去离子水为反应前驱物制备了Zn S薄膜.采用SEM、XRD、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究了光快速热处理温度(Trtt)对Zn S薄膜的表面形貌、结晶和光学性能的影响,同时对Zn S薄膜的形成机理做了分析.研究结果表明:光快速热处理前后,Zn S薄膜均基本呈非晶态,这显示仅采用氨水做络合剂并不能在硅(100)衬底上制备结晶的Zn S薄膜;随着Trtt的升高,Zn S薄膜的吸收边趋于红移,该红移可归结于薄膜应力的变化;在250 nm的紫外光激发下,as-depo的Zn S薄膜在470 nm附近出现的宽峰可归结于Zn S薄膜表面硫的不饱和sp3轨道引起的空穴陷阱和Zn空位的缺陷.Trtt的升高起初增加了薄膜中的点缺陷,随后由于薄膜内部的原子重新排列导致点缺陷减少.薄膜中的点缺陷含量与可见光区的发光强度成正比.

关键词： zns薄膜化学水浴法光快速热处理光吸收

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低温硫化制备zns薄膜的性能研究

低温硫化制备ZnS薄膜的性能研究

作者：杨光武汉科技大学

学位级别：硕士

zns是一种重要的宽带隙化合物半导体,高质量zns薄膜的制备与研究是影响其薄膜器件应用的关键因素之一。本论文先以直流磁控溅射方法沉积了Zn薄膜,然后在硫蒸气中200℃预热和硫化退火制备出了zns薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜... 详细信息

zns是一种重要的宽带隙化合物半导体,高质量zns薄膜的制备与研究是影响其薄膜器件应用的关键因素之一。本论文先以直流磁控溅射方法沉积了Zn薄膜,然后在硫蒸气中200℃预热和硫化退火制备出了zns薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及紫外-可见分光光度计等对薄膜进行了表征,研究了硫化温度、硫化时间和Zn沉积时间对硫化薄膜结构、形貌、成分和光学性能的影响。溅射Zn薄膜在硫蒸气中200℃预热1h以及随后不同温度硫化退火1h,研究结果表明:第一步的200℃预热可在Zn薄膜表面形成zns,随后第二步退火的硫化温度对硫化薄膜光透射率、S/Zn原子比和结晶性都有明显影响;在大于或等于300℃的硫化温度下制备的zns薄膜在400-1100 nm范围光透射率接近约80%,带隙为3.54-3.60e V,晶体结构为六方。溅射Zn薄膜在硫蒸气中200℃预热和400℃低温硫化退火,预热时间和硫化时间对zns薄膜结晶性、形貌、成分和光学性能都有影响;太短时间的预热或低温硫化、过长时间预热或低温硫化都会导致生长zns薄膜质量降低。最佳的预热时间和低温硫化时间都为1h。不同时间溅射沉积Zn先后在200℃和400℃的硫蒸气中进行低温硫化,时间都为1h,得到不同厚度zns薄膜。研究表明:随着Zn沉积时间的增加,硫化制备zns薄膜的晶粒尺寸、光透射率、带隙、S/Zn原子比都发生了明显变化,但变化趋势不同。并且,对其低温硫化生长zns薄膜的机理进行了讨论。此外,硫化前的抽真空处理可明显改善zns薄膜的质量。其中,3min溅射沉积的Zn在抽真空后于200℃预热(1h)和400℃低温硫化(1h)生长的zns薄膜质量最佳。

关键词： zns薄膜溅射低温硫化结构光学性能