脉冲激光沉积法制备β-FeSi-%2c2-半导体薄膜.pdf

摘要
半导体β-FeSi2 是一种潜在的性能优良的发光、光电、热电、太阳能电池材料,
它可用于制作薄膜光电器件、薄膜太阳能电池、热电器件、磁性半导体器件。β-FeSi2
也是一种环保型半导体材料,其从制造、使用和废弃都可以不对生态造成破坏。论文
首先综述了β-FeSi2 的基本性能、应用前景、常用的制备方法及国内外研究现状;本
学位论文是围绕脉冲激光沉积法制备β-FeSi2 薄膜而开展的一系列的研究工作。
(1) 采用分析纯的 Fe 粉和 Si 粉为原料合成了 FeSi2 合金,研究了硅粉和铁粉合成
FeSi2 的动力学过程。
(2) 研究了飞秒激光作用在 FeSi2 合金靶、Bi4Ti3O12 陶瓷靶、Cu 单质靶上等离子
体羽的一般规律;研究了飞秒激光作用产生的等离子体的传输规律。
(3) 将飞秒脉冲激光沉积法(fsPLD, femtosecond Pulse Laser Deposition)引入到
β-FeSi2 薄膜的制备工艺中,并与准分子(excimer)激光沉积法进行了比较,得到了脉冲
激光沉积β-FeSi2 薄膜的适宜条件;采用飞秒脉冲激光沉积法在 Si(100)、Si(111)衬底
上制备了单相均匀连续的β-FeSi2 薄膜,有效的解决了传统脉冲激光沉积法中产生大
量微米级的微滴的技术缺陷。
(4) 研究了 fsPLD 在沉积β-FeSi2 薄膜过程中,在不同的衬底上、不同的沉积温度
和退火温度下,β-FeSi2 薄膜的生长规律。研究了β-FeSi2/Si 薄膜的生长和 Si 衬底取
向之间的关联性。
(5) 采用 fsPLD + 固相反应法(RDE, Solid-state Reaction Epitaxy)在 Si(100)和
Si(111)衬底上制备了β-FeSi2 薄膜,这是脉冲激光沉积β-FeSi2 薄膜的一种新的尝试。
(6) 采用 X 射线衍射仪(XRD, X-Ray Diffraction)、扫描探针显微镜(SPM, Scan
Probe Microscope)、场扫描电镜(FSEM, Field Scan Electron Microscope)、能谱仪(EDS,
Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy)、显微激光拉曼光谱仪(MRS, Micro Raman
spectrophotometer)、背散射(EBSD, Electron Back Scattering Diffraction)、高分辨透射
电镜(HRTEM, High Resolution Transmission Electron Microscopy)等仪器研究了薄膜的
结构、组分、表面形貌;采用紫外可见光光谱仪(UV-VIS-NIR spectrophotometer)、傅
I
立叶红外光谱仪(FTIR,Fourier- Transform Infrared Spectrophotometer)研究了薄膜的光
学性质;在室温下观察到了β-FeSi2 薄膜在 µm 的光致发光;薄膜的直接能隙约为
。
(7) 将在 500℃的温度下沉积并保温 5 h 的β-FeSi2/Si(100)薄膜制作成霍尔元件,
在多功能物性测量系统(PPMS, Physical Properties Measurement System)中测得该样品
-3 2 3
的电阻率ρ1 为 ×10 Ωcm,霍耳系数 RH=×10 m /coul,该薄膜样品为 P 型半
导体。在 500℃的温度下沉积并保温 5 h 的β-FeSi2/Si(100)和β-FeSi2/Si(111)薄膜样品
的 I-V 特性曲线观察到 V 和 V 光生伏特。
(8) 采用飞秒脉冲激光沉积在 Si 衬底上制备了多晶钛酸铋铁电薄膜。在室温下的
制备的 Bi4Ti3O12 薄膜呈高 c 轴取向的;衬底温度为 500℃的温度时,Bi4Ti3O12 薄膜呈
高 a 轴取向的。测量了所制备的 Bi4Ti3O12 薄膜铁电特性和 I-V 特性;通过建立一个
分布参数电路模型讨论了铁电特性和 I-V 特性曲线之间的关联性。


关键词:β-FeSi2 脉冲激光沉积法薄膜半导体光致发光
拉曼散射光生伏特飞秒激光











II
Abstract
The semiconducting low temperature phase of iron disilicide, Orthorhombic, β-FeSi2
has at