氧控In2O3薄膜的光电性能

对比在控氧条件下制备态和退火态In₂O₃薄膜的微观结构和光电性能,分析两种状态中不同的氧作用机制。两种控氧行为都能够有效提高In₂O₃薄膜的晶格有序度和降低氧空位浓度,使其载流子浓度下降、迁移率提高和光学带隙变窄;等离子体制备过程中氧以高活性非平衡方式注入晶格,而退火时氧以低活性平衡态扩散的方式进入晶格;不同的氧作用机制使得退火态薄膜比制备态薄膜具有更少的结构缺陷、更高的氧空位浓度和更佳的透光导电性。     

β-Ga2O3/p-SiNWs异质结光学特性与电学性质研究

氧化镓(Ga₂O₃)是一种宽禁带的半导体材料,超大的禁带宽度(4.9eV)、较高击穿电场强度和高热稳定性,使其成为一种很有应用前景的材料。本文以p型硅纳线阵列(p-SiNWs)为衬底,使用磁控溅射法制备了β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结,探究了其光学与电学性质。与纯Si相比,p-SiNWs表现出优良的“陷光”特性,其反射系数约为纯Si的1/6,且随着p-SiNWs长度的增加,反射系数逐渐降低。室温下光致发光光谱(PL)测试发现,异质结在551nm附近出现典型的绿色发射峰。β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结具有明显的整流特性,在V=1.40V时其整流系数高达1724,随着p-SiNWs长度增加异质结理想因子逐渐增加,最佳理性因子为1.98。通过计算logI-logV图对其电荷传输机制进行了探究。退火可以提高β-Ga₂O₃薄膜的结晶度,从而提高异质结的电学特性。     

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.     

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。     

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 ...     

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。     

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。     

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。     

基于低温原位法制备Ga2O3或In2O3电子收集层的高效有机太阳电池

有机太阳电池(OSCs)中,温和的界面材料制备工艺对于拓宽材料适用范围和提高器件能量转换效率(PCE)具有重要作用.本文提出了简便易行的In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层的制备方法,即旋涂In(acac)3和Ga(acac)3异丙醇前驱体溶液并结合低温热退火.在基于PM6:Y6的OSCs中引入In₂O₃和Ga₂O₃电子收集层,得到了性能优异的器件, PCE分别达到16.17和16.01.对比研究发现, In₂O₃的功函数WF为4.58 eV,这比WF为5.06 eV的Ga₂O₃更有利于与ITO电极形成欧姆接触,因此基于前者的器件开路电压更高.此外,电化学阻抗谱EIS的研究进一步揭示了In₂O₃和Ga₂O₃对器件内部电荷转移过程的影响及其性能差异的由来:In₂O₃的串联电阻损耗虽然较低,但Ga₂O₃的复合电阻较高,所以一定程度上提高了基于Ga₂O₃的器件的填充因子,进而补偿了其串联电阻的损失.本论文的对比研究发现, In₂O₃和Ga₂O₃都是OSCs优异的电子收集层.     

溶胶-凝胶法制备Gd4Ga2O9: Dy3+白光发射荧光粉及其性能

通过溶胶-凝胶法制备了具有白光发射的Gd₄Ga₂O₉:x%Dy³⁺荧光粉,利用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱等对产物的物相结构、形貌、组分和光学性能进行研究,并分析了Dy³⁺掺杂量对样品的影响。XRD结果表明,所制备的样品为Dy³⁺掺杂的Gd₄Ga₂O₉单斜晶体和少量Ga₂O₃杂质相的混合物。紫外-可见漫反射光谱结果表明制备的Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉晶体是一种光学带隙为5.29 eV的直接带隙半导体。荧光检测结果表明Dy³⁺掺杂Gd₄Ga₂O₉荧光粉可被属于Gd³⁺     

退火温度对Ta2O5薄膜光学和表面特性的影响

针对退火温度影响Ta₂O₅薄膜的光学和表面特性的问题，采用电子束蒸发技术在石英基底上制备了该薄膜，并将薄膜样品分别在200℃、400℃和600℃下进行退火。利用光谱仪测试了薄膜的透射率并反演计算得到薄膜的折射率和消光系数的变化规律，采用X射线衍射仪和原子力显微镜表征了薄膜的表面性能。研究表明，薄膜透射率曲线的峰值随退火温度升高而显著提升。随着退火温度升高，薄膜的折射率和消光系数均逐渐变大，表面粗糙度呈现下降的趋势，表面变得致密。退火前后薄膜均为非晶态。该研究为进一步提高Ta₂O₅薄膜的性能提供了试验数据。     

Sc2W3O12薄膜制备及其负热膨胀性能

采用脉冲激光沉积法制备了斜方相Sc₂W₃O₁₂薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对Sc₂W₃O₁₂靶材和Sc₂W₃O₁₂薄膜组分、表面形貌和靶材断面形貌进行表征, 研究衬底温度与氧分压对薄膜制备的影响。采用变温XRD和热机械分析仪(TMA)分析了Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材和薄膜的负热膨胀特性。实验结果表明: 经1000℃烧结6 h得到结构致密的斜方相Sc₂W₃O₁₂陶瓷靶材, 其在室温到600℃的温度范围内平均热膨胀系数为-5.28×10^-6 K^-1。在室温到500℃衬底温度范围内脉冲激光沉积制备的Sc₂W₃O₁₂薄膜均为非晶态, 随着衬底温度的升高, 薄膜表面光滑程度提高; 随着沉积氧压强增大, 表面平整性变差。非晶膜经1000℃退火处理7 min后得到斜方相Sc₂W₃O₁₂多晶薄膜, 在室温到600℃温度区间内, Sc₂W₃O₁₂薄膜的平均热膨胀系数为-7.17×10^-6 K^-1。     

Effect of sintering temperature on the chemical bonding,electronic structure and electrical transport properties of β-Ga1.9Fe0.1O3 compounds

A model system,which is based on iron(Fe)doped gallium oxide(Ga₂O₃)(Ga_1.9Fe_0.1O₃),has been considered to elucidate the combined effect of transition-metal ion doping and processing temperature on the chemistry,local structure and chemical bonding,and electrical transport properties of a wide band gap oxide(Ga₂O₃).The Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds were synthesized using standard high-temperature solid state reaction method.The effect of processing conditions in terms of different calcination and sintering environments on the structural and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds is studied in detail.Structural characterization by Raman spectroscopy revealed that Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds exhibit monoclinic crystal symmetry,which is quite similar to the intrinsic parental crystal structure,though Fedoping induces lattice strain.Sintering temperature(T_sint)which was varied in the range of 900-1200℃,has significant impact on the structure,chemical bonding,and electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.Raman spectroscopic measurements indicate the proper densification of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds achieved through complete Fe diffusion into the parent Ga₂O₃ lattice which is evident at the highest sintering temperature.The X-ray photoelectron spectroscopy validates the chemical states of the constituent elements in Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds.The electrical properties of Ga_1.9Fe_0.1O₃ fully controlled by T_sint,which governed the grain size and microstructural evolution.The temperature and frequency dependent electrical measurements demonstrated the salient features of the Fe doped Ga₂O₃ compounds.The activation energy determined from Arrhenius equation is 0.5 e V.The results demonstrate that control over structure,morphology,chemistry and electrical properties of the Ga_1.9Fe_0.1O₃ compounds can be achieved by optimizing T_sint.     

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。     

不同晶型Fe2O3催化H2O2湿法脱硝的实验研究

研究了以α-Fe₂O₃、β-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃为催化剂的类Fenton试剂溶液氧化吸收NO的过程,分析了3种Fe₂O₃的晶相结构和表面性质对NO脱除效率的影响机理。脱硝性能测试结果表明：γ-Fe₂O₃的活性最好,在H₂O₂浓度为1.5 mol/L、催化剂浓度为20 mmol/L、pH值为5以及反应温度为55℃等条件下,γ-Fe₂O₃的脱硝率可达87.5%。机理研究表明：3种Fe₂O₃催化H₂O₂分解湿法脱除NO的反应发生在催化剂表面,反应过程中存在氧化还原循环,H₂O₂催化分解的主要产物是·OH。活性差异分析结果表明：Fe₂O₃的晶相结构和表面性质对NO的脱除效果具有显著的影响,γ-Fe₂O₃的活性最高是由于比表面积大、分散性高和表面的Fe²⁺含量更多,而β-Fe₂O₃的活性高于α-Fe₂O₃是由于表面的氧空位含量更多。     

PECVD沉积和原位退火时间对h-BN薄膜组成及光学带隙的影响

采用射频等离子增强化学气相沉积设备, 以高纯N₂和B₂H₆为气源, 制备了系列h-BN薄膜, 得到适合生长h-BN薄膜的最佳工艺条件。在此条件下, 研究了不同沉积时间和退火时间对薄膜组成和光学带隙的影响。采用傅立叶变换红外光谱仪、紫外可见光分光光度计和场发射扫描电子显微镜对样品进行了表征。实验结果表明: 在衬底温度、射频功率和气源流量比率一定的条件下, 沉积时间对h-BN薄膜成膜质量和光学带隙都有较大影响, 且光学带隙与膜厚呈指数关系变化。700℃原位退火不同时间对h-BN薄膜的结晶质量有所影响, 而物相和光学带隙基本没有改变。     

宽带隙、高折射率聚偏四氟乙烯/TiO2-ZrO2光学膜的制备和表征

以氧氯化锆(ZrOCl₂·8H₂O)为锆源, 钛酸丁酯(Ti(OBu)₄)为钛源, 聚偏氟乙烯(PVDF)为有机添加剂, 采用溶胶–凝胶法在K9玻璃基片上制备PVDF/TiO₂-ZrO₂光学膜, 提高了ZrO₂-TiO₂光学膜的综合性能。然后采用SEM、FT-IR、接触角以及紫外/可见/近红外透射光谱等手段对PVDF/TiO₂-ZrO₂光学膜的组成、光学性能和抗激光损伤阈值进行了研究。SEM测试表明, 在K9玻璃基片上制备了光学膜。PVDF的添加导致水与薄膜的接触角增大。ZrO₂-TiO₂光学膜的光学带隙随ZrO₂含量的增加而略微增大, PVDF/ZrO₂(50mol%)-TiO₂薄膜的光学带隙随PVDF质量分数的增加而增大。另外, ZrO₂-TiO₂光学膜的折射率随ZrO₂摩尔分数的减小而增大, PVDF/ZrO₂(50mol%)-TiO2膜的折射率随PVDF质量分数的增加而增大。     

影响内氧化生成Al2O3/Cu表面复合层厚度及组织的因素

采用真空条件,用CuO作氧化剂,在一定的温度下使Cu-Al合金内氧化,获得Al₂O₃/Cu表面复合材料。金相分析发现,在较低温度下内氧化,表面复合层中Al₂O₃颗粒晶界处多于晶内;在较高温度下内氧化,复合层中Al₂O₃颗粒呈弥散状分布;表面复合层厚度随Al含量的增加而减薄,显微硬度随Al含量的增加而升高。      

氟化镁基底上HfO2中间层对Al2O3薄膜微观组织和力学性能的影响

采用电子束蒸镀技术在氟化镁基底上制备了单层Al₂O₃薄膜和含有HfO₂中间层的HfO₂/Al₂O₃双层薄膜。在空气中对所制备的薄膜进行1 h 600℃的退火处理。通过掠入角X射线衍射仪(GIXRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、纳米压痕和划痕法对薄膜的微观结构、红外透过率和力学性能进行了表征。结果表明: 退火处理后HfO₂/Al₂O₃双层薄膜中形成了一层树枝状的新层, 这种新层的硬度大于17.5 GPa。这种高硬度的新层能够保护氟化镁基底不被划伤。从GIXRD图谱中只能找到单斜相HfO₂的衍射峰, 而Al₂O₃薄膜仍然保持非晶态。从这些结果中可以推断出HfO₂从非晶态向单斜相的转变促进了这种树枝状新层的产生, 也正是这种新层提高了保护薄膜的力学性能。     

Ti2AlNb合金表面射频溅射Al/Al2O3复合层的抗热震性能

为进一步提高Ti₂AlNb合金的抗高温氧化性能,在其表面射频溅射Al/Al₂O₃复合层,并于650℃下进行了抗热震性能研究,采用扫描电镜及能谱仪观察复合层形貌并分析其成分。结果表明:Al/Al₂O₃复合层平整致密,无贯穿裂纹,复合层中Al₂O₃层厚约1μm,Al层厚约14μm;热震循环50次时复合层表面出现了微小裂纹,随着热震循环次数增加,裂纹不断扩展,表层Al₂O₃颗粒增大;Al/Al₂O₃复合层能有效提高Ti₂AlNb合金的抗热震性能。