真空蒸發(fā)制備CdSexTe1-x薄膜及其性能研究

2013-12-25 劉永生 內蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

　　按不同比例混合CdTe和CdSe兩種化合物，利用真空蒸發(fā)法在玻璃襯底上制備了CdSexTe1-x三元化合物薄膜，分別利用XRD、SEM、EDX、XPS、紫外-可見(jiàn)分光光度計對薄膜的物相結構、表面形貌、元素組成以及光學(xué)性能進(jìn)行了測試，分析了x值和熱處理對薄膜的影響。測結果表明，薄膜均為立方閃鋅礦結構的CdSexTe1-x三元化合物，沿(111)晶面擇優(yōu)生長(cháng)，晶格常數與x呈線(xiàn)性遞減關(guān)系；隨x值增加薄膜的光學(xué)帶隙逐漸減小，x=0.57時(shí)減小到最小值1.41eV，然后又增大；升高熱處理溫度，可以改善薄膜的結晶程度，增加對光的吸收范圍，減小光學(xué)帶隙。

　　II-VI族化合物半導體以?xún)?yōu)異的光電性能，在紅外探測器、核輻射探測器、紅外激光窗口、光電化學(xué)電池及光伏電池中得到廣泛的應用，是國內外研究較多的太陽(yáng)能光電轉換材料。其中CdS、CdSe、CdTe和(Cd，Zn)S等鎘化合物均為直接帶隙半導體材料，是II-VI族化合物半導體中應用比較廣泛的光電子材料，CdSe在多硫體系中穩定性?xún)?yōu)于CdTe，因此在光電化學(xué)電池中是一種性能較理想的光電極材料，但是對于吸收太陽(yáng)光能來(lái)說(shuō)，CdSe的禁帶寬度并不是最適合的，限制了轉換效率的提高。因此，人們在調整CdSe的光學(xué)帶隙方面做了大量的工作。

　　近年來(lái)，大量的理論和實(shí)驗研究表明，可以將CdSe和CdTe合成三元化合物CdSexTe1-x，CdSexTe1-x在多硫體系中的穩定性可以與CdSe相媲美，并且可以通過(guò)改變x值連續改變化合物的光學(xué)帶隙和晶格常數，使CdSexTe1-x的光學(xué)帶隙接近吸收太陽(yáng)光光譜的最佳能隙1.45eV，有利于太陽(yáng)能的轉換。

　　CdSexTe1-x薄膜的制備方法比較多，例如電子束蒸發(fā)、熱壁真空沉積、分子束外延、電沉積、化學(xué)合成法等，但這些方法大都需要復雜的設備，成本較高。我們采取了設備簡(jiǎn)單，易于操作，成本低廉的真空蒸發(fā)技術(shù)，在玻璃襯底上制備了性能穩定的CdSexTe1-x三元化合物薄膜，并對其結構、表面形貌、光電性能、元素組成進(jìn)行了分析，還考慮了熱處理溫度對薄膜的影響，為CdSexTe1-x薄膜在光電子器件中的應用提供實(shí)驗依據。

1、實(shí)驗

　　1.1、薄膜的制備

　　采用真空蒸發(fā)技術(shù)制備CdSexTe1-x三元化合物薄膜，首先將高純CdTe和CdSe粉末按x=0、0.35、0.75、0.85、1等配比混合并放入瑪瑙研缽中進(jìn)行充分研磨、粉化，然后置入蒸發(fā)源，再將清洗干凈烘干的玻璃襯底放入蒸發(fā)室，調節蒸發(fā)電流為65A。待蒸發(fā)室抽真空至8×10-4 Pa以上時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)。實(shí)驗中襯底的溫度為130℃，襯底轉速為2r/min，實(shí)驗中用一臺石英膜厚監控儀在線(xiàn)監控蒸鍍厚度d=1.1μm。最后將制備好的薄膜樣品置于自動(dòng)控溫擴散爐中，在N2氣氛中進(jìn)行熱處理，處理溫度分別為300℃、350℃、400℃、450℃，處理時(shí)間為15min。

　　1.2、薄膜的性能測試

　　利用荷蘭Philip公司生產(chǎn)的PW1830/40型X射線(xiàn)衍射儀對樣品的晶體結構進(jìn)行了測試，輻射源為CuKα線(xiàn)；利用日本日立公司生產(chǎn)的S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡測試樣品的表面形貌，并結合EDX對樣品的元素組成進(jìn)行分析；利用英國ULVAC-PHI.INC生產(chǎn)的KratosAmicus型X射線(xiàn)光電子能譜儀對刻蝕10s后的薄膜化學(xué)成分進(jìn)行分析；利用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Lambda750s紫外-可見(jiàn)分光光度計對薄膜的光學(xué)透過(guò)率進(jìn)行了測試。

結論

　　(1)實(shí)際得到的薄膜的x值比配比x值偏小，對于x的所有取值，薄膜均為立方閃鋅礦結構的CdSexTe1-x三元化合物，擇優(yōu)取向為(111)晶面，晶格常數與x呈線(xiàn)性遞減關(guān)系。

　　(2)從SEM測試結果看出，薄膜表面的顆粒尺寸明顯隨著(zhù)x值的增大而減小。

　　(3)隨x值增加薄膜的光學(xué)帶隙逐漸減小，x=0.57時(shí)減小到最小值1.41eV，然后又增大，主要因為Se成分在薄膜中的含量不同，因此可以通過(guò)改變x值調節CdSexTe1-x薄膜的光學(xué)帶隙。

　　(4)升高熱處理溫度，可以改善薄膜的結晶程度，增加對光的吸收范圍，減小光學(xué)帶隙。