无真空、低成本Mist-CVD外延制备高质量单晶NiO/Ga2O3 p-n异质结与器件(英文)

在氧化镓(Ga₂O₃)材料p型掺杂困难的背景下,Ga₂O₃ p-n异质结器件在氧化镓器件的应用中起着重要作用.因此,寻找一种高效、经济的制备方法制备Ga₂O₃异质结对器件应用具有重要意义.在这项工作中,我们成功基于低成本、无真空的雾化学气相沉积(Mist-CVD)外延制备了单晶氧化镍(NiO)和β-Ga₂O₃异质结.其中,NiO(111)和β-Ga₂O₃(-201)的XRD摇摆曲线半高宽分别为0.077°和0.807°.NiO与β-Ga₂O₃之间的能带表现为Ⅱ型异质结构.基于此异质结,我们制备了准垂直器件,器件具有明显的p-n结整流特性,反向击穿电压为117 V.本工作为β-Ga₂O₃异质p-n结的制备提供了一种低成本、高质量的方法.     

缺陷对β-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响

采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了β-Ga₂O₃薄膜。借助于X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、以及二次离子质谱(SIMS)研究了缺陷对β-Ga₂O₃薄膜的结构和光学特性的影响。结果表明,未退火的Ga₂O₃薄膜呈现非晶态,随高温退火时间逐渐增加,非晶Ga₂O₃薄膜逐步转变为沿(-201)方向择优生长的β-Ga₂O₃薄膜。所有Ga₂O₃薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%,β相Ga₂O₃薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加~0.3 eV,且随退火时间的增加,β-Ga₂O₃薄膜的光学带隙也随之变宽。此外,发现非晶Ga₂O₃薄膜富含氧空位缺陷,高温退火处理后,β-Ga₂O₃薄膜中的氧空位浓度明显降低,但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga₂O₃薄膜层,并随退火时间的增加Al浓度明显增加,氧空位的降低和Al杂质的增加是导致β-Ga₂O₃薄膜光学带隙变宽的主要原因。     

带状γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂光催化降解四环素

针对传统ZnO光催化活性不高的问题,采用Zn(CH₃COO)₂和FeCl₃作为ZnO和Fe₂O₃的前驱体,水热条件下采用“一锅法”制备带状γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂,采用XRD、BET比表面积测量仪、TEM、紫外-可见漫反射、电子顺磁共振(EPR)等对其晶体化学结构进行表征。在可见光光源下,探究了不同γ-Fe₂O₃负载量时γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的光催化降解的效果。研究表明,ZnO负载γ-Fe₂O₃后比表面积和光照吸收显著改善,禁带宽度有所减小,可见光光照120 min,n(Zn)∶n(Fe) (原子比)为20∶1的γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的降解率高达97.2%,多次重复使用后四环素的降解率保持在95%以上。      

宽禁带半导体Ga2O3基日盲紫外探测器的研究进展

β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体材料，对应太阳光谱的深紫外波段，可用于制备日盲紫外探测器。日盲紫外探测器抗干扰能力强、探测灵敏度高、背景噪声低，在军事和航空航天领域具有极大的应用前景。本文主要介绍Ga₂O₃材料的基本性质，包括不同的晶相结构及其制备方法，并总结不同结构的Ga₂O₃器件在日盲紫外探测领域的研究进展。其中，金属-半导体-金属(MSM)结构的Ga₂O₃器件最为普遍，特别是基于薄膜材料的器件已具备了商业化参数，有望实现产业化应用。基于Ga₂O₃的异质结和肖特基结日盲紫外探测器也表现出优异的性能，并呈现出自供电特性。此外，薄膜晶体管结构Ga₂O₃器件结合MSM结构和晶体管结构的工作机制，可获得更大的光增益，适用于微弱信号的探测，成为一种极具潜力的日盲紫外探测器件。     

ZnO纳米棒/ZnCo2O4纳米片异质结的制备及其光电探测性能

ZnO纳米材料异质结是构筑高性能紫外光电探测器的有力候选之一。本工作中, 设计并制备了一种新型ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结, 研究了其电学性能及光电探测性能。使用油水界面自组装, 将ZnCo₂O₄纳米片在ITO玻璃上组装为均匀的薄膜; 通过调控ZnO种子层厚度, 在ZnCo₂O₄纳米片薄膜上水热生长了取向一致、密度适中的ZnO纳米棒阵列, 获得了高质量的ZnO纳米棒/ZnCo₂O₄纳米片异质结。该异质结具有优良的整流特性, 整流比达到673.7; 其工作在反偏状态时, 光暗电流比超过2个量级, 紫外-可见判别比为29.4, 在光电探测中有良好的波长选择特性。研究表明, 该异质结有潜力应用于构筑高性能紫外光电探测器。     

ZnO/In2O3纳米异质结的合成及其光催化性能的研究

通过热水解法成功制备出了形貌均一的ZnO/In₂O₃异质结光催化材料, 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)以及透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌及结构进行表征。结果表明: ZnO/In₂O₃异质结是由直径约200~300 nm、厚度约40~60 nm的六边形纳米片镶嵌着In₂O₃纳米小颗粒组成。对比纯ZnO、纯In₂O₃和该光催化材料对罗丹明B(RhB)的可见光降解效率, 发现ZnO/In₂O₃异质结光催化材料对RhB具有较高的光催化效率, 其原因是窄带系半导体In₂O₃能够有效地吸收可见光, 当ZnO与In₂O₃ 形成异质结时, In₂O₃能带上被可见光激发的电子会迁移到ZnO的导带上, 而光激发的空穴仍保留在In₂O₃价带, 这样有助于光生电子和空穴的分离, 降低其复合几率, 从而有效地提高了ZnO的光催化效率。     

S型异质结Bi4O5Br2/CeO2的制备及其光催化CO2还原性能

光催化CO₂还原技术的关键是开发高效光催化剂,而构建具有紧密界面结构的异质结是增强界面电荷转移,实现高效光催化活性的有效途径。本研究采用静电纺丝技术结合水热法,将Bi₄O₅Br₂纳米片镶嵌在CeO₂纳米纤维表面,制得Bi₄O₅Br₂/CeO₂纤维光催化材料(B@C-x,x对应反应物的加入量)。利用不同方法表征其微观结构、形貌和光电性能。结果表明,适当Bi₄O₅Br₂含量的Bi₄O₅Br₂/CeO₂异质结可以显著提高CeO₂纳米纤维的光催化性能。与纯Bi₄O₅Br₂和CeO₂相比,B@C-2在模拟太阳光下表现出最佳光催化活性,不使用任...     

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

MOCVD同质外延生长的单晶β-Ga2O3薄膜研究

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在(010)Fe掺Ga₂O₃半绝缘衬底上进行同质外延生长Ga₂O₃薄膜,系统性地研究了生长温度(880℃/830℃/780℃/730℃)和生长压强(80/60/40/20 Torr)对外延薄膜表面形貌、晶体质量以及电学特性等的影响。结果表明随着生长温度和压强的增加：薄膜生长速率分别呈现出略微增加和大幅下降的趋势;薄膜表面阶梯束(step bunching)的生长方式逐渐增强,并且呈现出沿着[001]晶向生长的柱状晶粒;高分辨X射线衍射(XRD)扫描显示薄膜均只在(020)面存在衍射峰,表明生长的薄膜为纯β相单晶薄膜,且半高宽可达到45.7 arcsec;霍尔测试表明780℃和60 Torr的生长条件下薄膜的室温电子迁移率最高。本文为基于MOCVD的Ga₂O₃同质外延生长提供了系统的参数指导,为高质量Ga₂O₃薄膜的制备奠定了基础。     

多级结构形貌β-Bi2O3/BiOCOOH复合光催化剂的制备及其光催化性能

用水热法合成具有多级结构形貌的甲酸氧铋,将其作为自牺牲前驱体调节热处理温度制备出不同的产物,其中一种是具有可见光响应的新型β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化材料。使用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)和光电化学响应等手段表征不同温度热处理后产物的晶型结构、光吸收性能、形貌、光电流等物理化学性质。以罗丹明B作为光催化活性评价的探针分子,研究了在不同温度热处理产物的可见光光催化性能。结果表明,热处理温度从250℃提高到330℃、400℃、450℃,甲酸氧铋发生以下转变：BiOCOOH→β-Bi₂O₃/BiOCOOH→β-Bi₂O₃→α-Bi₂O₃。在330℃和350℃热处理后的β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化剂可见光催化性能最优,其降解速率比β-Bi₂O₃、α-Bi₂O₃分别高6.7倍和100倍。对罗丹明B表现出最佳脱色率的样品,光照90 min的矿化率可达88%。与纯相物质(β-Bi₂O₃、BiOCOOH)相比β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合材料具有更大的光电流响应和更小的阻抗。结合UV-vis DRS和莫特-肖特基曲线可推测,β-Bi₂O₃与BiOCOOH可紧密结合形成Z-型光催化结构,具有更高的光生载流子分离效率并实现光生电荷的分离。     

Bi2O3-Bi2WO6 直接Z-scheme异质结的制备、表征及光催化还原U(VI)的性能

根据能带理论,以Bi(NO₃)₃·5H₂O为铋源,采用水热煅烧法制备了Bi₂O₃-Bi₂WO₆复合光催化材料,SEM、XRD、XPS、紫外可见漫反射(UV-vis DRS)、电化学阻抗(EIS)等表征手段对材料进行表征与分析,以U(VI)为目标污染物,在可见光下进行光催化还原U(VI)的性能研究。结果表明:与纯Bi₂WO₆相比,Bi₂O₃-Bi₂WO₆复合材料具有较高的光催化活性,当Bi₂O₃与Bi₂WO₆的摩尔比为2.4∶1时,Bi₂O₃-Bi₂WO₆的光催化活性最好,光催化活性增强归因于Bi₂O₃的加入,在Bi₂O₃与Bi₂WO₆界面形成的直接Z-scheme异质结,提高了光生电子-空穴的传输速率,降低了其复合率;另一方面,Bi₂O₃的加入使Bi₂WO₆带隙变小,扩大对可见光的响应范围,从而提高了Bi₂O₃-Bi₂WO₆光催化剂的活性。本研究为设计和合成具有高可见光活性的光催化剂和了解增强U(VI)光催化还原机理提供了新的思路。      

β-FeSi2/Si异质结的制备及性质研究

采用直流磁控溅射和真空退火方法制备β-FeSi2/Si异质结,首先在n型Si(100)衬底上沉积Fe膜,经真空退火形成β-FeSi2/Si异质结,Fe膜厚度约238nm,退火后形成的β-FeSi2薄膜厚度约为720nm。利用XRD、SEM和红外光谱仪分别研究了β-FeSi2薄膜的晶体结构、表面形貌和光学性质。霍尔效应结果表明,制备的β-FeSi2薄膜为n型导电,载流子浓度为9.51×1015cm-3,电子迁移率为380cm2/(V.s)。     

Bi@Bi4Ti3O12/TiO2等离子体复合纤维的制备及增强可见光催化性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基质和反应物、乙二醇为还原剂,采用溶剂热法原位合成了新型Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂等离子体复合纤维。利用XRD、SEM、高倍透射电子显微镜（HRTEM）、XPS、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和光致发光图谱（PL）等分析测试手段研究了Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的结构和性能。结果表明:当反应温度低于210℃时,Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的Bi₄Ti₃O₁₂纳米片随反应温度升高逐渐缩小、增厚,且有金属Bi纳米粒子生成;当反应温度高于210℃时,Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维的纳米片发生堆积、变形、表面金属Bi被氧化成Bi₂O₃。反应温度对Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂等离子体复合纤维的形貌和物相组成有重要影响;Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维对罗丹明B表现出优异的光催化活性,可见光照5 h其降解率达97.8%。Bi@Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂复合纤维光催化性能提高归结于Bi₄Ti₃O₁₂与TiO₂间形成异质结、金属Bi等离子体共振效应及等离子体共振效应与异质结的协同作用。      

β-FeSi2/Si异质结的伏安特性分析

用磁控溅射方法制备β-FeSi2/Si异质结,在分析其伏安特性的基础上探索其是否适合制备红外探测器,XRD、SEM分析表明,该方法能得到纯净、表面平整的β-FeSi2/Si薄膜;在室温下异质结的I—V特性具有很好的整流特性,整流效率约为Idirect／Ireverse～10^2,分流电阻约为38．4kΩ,零偏压下的电流响应率约为26μA／W。推算结果表明,该异质结的红外探测率约为1．479×10^9cm·√Hz/W,适合用于制备红外探测器。     

雾化辅助CVD腔体的优化设计与实现

为了实现雾化辅助CVD (chemical vapor deposition，化学气相沉积)腔体的可定制性、可复用性及经济性，并满足高质量单晶氧化镓(Ga₂O₃)薄膜制备的实际需求，设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga₂O₃薄膜制备实验，对Ga₂O₃薄膜进行了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱分析，并采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)观察其表面形貌。实验结果表明：采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃薄膜；采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga₂O₃薄膜的(006)晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°，表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 ...     

硅异质结太阳能电池用透明导电氧化物薄膜的研究现状及发展趋势

硅异质结(SHJ)太阳能电池是目前光伏产业中的重要组成部分,其由于具有高开路电压(V_oc)等优点而引起了广泛的关注。在硅异质结太阳能电池中,透明导电氧化物(TCO)薄膜层的光学性能和电学性能分别影响着电池的短路电流(J_sc)、填充因子(FF),进而影响电池的转换效率。近年来,SHJ电池中TCO层的研究主要集中于掺杂的In₂O₃和ZnO体系。本文从硅异质结太阳能电池的不同结构出发,概述了TCO薄膜的光电性能(透过率、禁带宽度、方块电阻、载流子浓度、迁移率和功函数)以及与相邻层的接触对电池性能的影响,介绍了不同体系的透明导电氧化物薄膜在硅异质结太阳能电池中的应用及研究现状,并展望其未来的发展趋势。     

无催化β-Ga2O3纳米棒的可控制备

由于氧化镓(Ga₂O₃)纳米棒具有独特的物理和化学性质,在纳米光电子器件等领域具有广泛的应用前景,因此氧化镓纳米棒的可控制备具有十分重要的意义。本文采用化学气相沉积(CVD)的方法,在无催化条件下,在硅Si(100)衬底上成功生长出β-Ga₂O₃纳米棒。通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜等表征,发现氧化镓纳米棒按照气-固(V-S)机制生长,当生长温度从850℃升高到950℃时,纳米棒的密度、直径和长度增加,纳米棒的形貌从杂乱无序的随机生长转变为沿衬底垂直且具有不同夹角方向生长。结果表明,反应温度和氧气浓度决定了氧化镓纳米棒的形貌和尺寸,通过控制温度和氧气浓度能够有效调控氧化镓纳米棒的形貌和光学性能。     

片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料的制备及性能

采用水热法制备片状纳米Al₂O₃,经过偶联剂改性后与环氧树脂复合,通过溶液混合法制备了不同填充量的片状纳米Al₂O₃/环氧树脂复合材料,研究了片状纳米Al₂O₃用量对片状纳米Al₂O₃/环氧树脂复合材料介电性能和热性能的影响,利用SEM对复合材料的断口形貌进行了表征。结果表明: 片状纳米Al₂O₃在环氧树脂基体中分散良好;随着片状纳米Al₂O₃填充量的增加,复合材料的起始热分解温度升高、介电强度增大,当片状纳米Al₂O₃的填充量为7wt%时,复合材料的介电强度为 29.58 kV/mm,比纯环氧树脂的介电强度提高了30%;复合材料的介电常数(3.8~4.5)和介电损耗(0.015)比纯环氧树脂稍有增大,但仍维持在较好的介电性能范围内。     

B2O3和Al2O3共同掺杂ZnO压敏陶瓷的性能

研究了B₂O₃(B)和Al₂O₃(Al)共掺杂对ZnO压敏陶瓷电学性能和微观结构的影响。结果表明,共掺杂B和Al的ZnO压敏陶瓷,具有低泄漏电流、高非线性和低剩余电压等优良电性能。B和Al的掺杂率为3.0%(摩尔分数)和0.015%(摩尔分数)的ZnO压敏陶瓷,其最佳样品的电参数为：击穿电压E_{1 mA}＝475 V/mm;泄漏电流J_L=0.16 μA/cm²;非线性系数α=106;剩余电压比K = 1.57。     

α籽晶促进低温反应溅射沉积α-Al2O3薄膜

分别使用反应溅射Al+α-Al₂O₃(15% α-Al₂O₃,质量分数)复合靶和在金箔基体表面预植α-Al₂O₃籽晶,促进α-Al₂O₃薄膜的低温沉积。使用扫描电子显微镜(SEM)、掠入射X射线衍射(GIXRD)和能谱仪(EDS)等方法表征薄膜样品的表面形貌、相结构和元素组成。结果表明,在射频反应溅射Al+α-Al₂O₃复合靶、沉积温度为560℃条件下能在Si(100)基体上沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜;使用射频反应溅射Al靶、沉积温度为500℃条件下能在预植α-Al₂O₃籽晶(籽晶密度为10⁶/cm²)的金箔表面沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜。两种研究方案的结果均表明,α-Al₂O₃籽晶能促进低温沉积单相α-Al₂O₃薄膜。