单晶硅衬底异质外延3C-SiC薄膜研究进展

3C-SiC薄膜的外延生长一直是SiC材料制备领域的一个热点,单晶Si衬底异质外延3C-SiC是实现大尺寸、低成本薄膜的有效方法,备受人们关注.单晶Si与3C-SiC之间存在较大的晶格失配(20％)和热膨胀系数差异(8％),严重制约着高质量单晶薄膜的制备.本文对单晶Si衬底异质外延3C-SiC薄膜的基本原理和工艺过程进行了总结,着重介绍了薄膜生长中的缺陷和可控掺杂方面的研究进展以及面临的挑战,并对今后的研究热点做了归纳展望.     

绝缘衬底上化学气相沉积法生长石墨烯材料

利用化学气相沉积法,在Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底上生长石墨烯材料,研究石墨烯的表面形貌、缺陷、晶体质量和电学特性。原子力显微镜、光学显微镜和拉曼光谱测试表明,Si₃N₄覆盖层可以有效抑制3C-SiC缓冲层的形成;低温生长有利于保持材料表面的平整度,高温生长有利于提高材料的晶体质量。5.08 cm蓝宝石衬底上石墨烯材料,室温下非接触Hall测试迁移超过1000 cm²·V^-1·s^-1,方块电阻不均匀性为2.6%。相对于Si衬底和蓝宝石衬底,SiC衬底上生长石墨烯材料的表面形态学更好,缺陷更低,晶体质量和电学特性更好,迁移率最高为4900 cm²·V^-1·s^-1。     

准二维钙钛矿晶体中自限域激子发光机制研究

通过冷却结晶法成功地合成了准二维钙钛矿(C₄H₁₀N)₂(CH₃NH₃)Pb₂Br₇晶体，并研究了该晶体的晶体结构以及自由激子和自限域激子复合发光行为。单晶XRD结构分析表明，该晶体中PbBr₆八面体单元具有极大的结构扭曲。通过光谱分析发现，该准二维钙钛矿材料在紫外光激发下表现为蓝色发光，并且具有两个荧光峰，峰位分别为440 nm和477 nm。其中，较强的荧光峰(440 nm)和较弱的荧光峰(477 nm)分别来源于准二维钙钛矿材料的自由激子和自限域激子的复合发光。该研究结果将有助于深入理解钙钛矿晶体中激子自限域过程和发光机制。     

雾化学气相外延法异质外延Ga2O3薄膜的生长特性

氧化镓各晶相的应用广泛,亚稳相只能通过外延的手段获得。选择合适的生长方法和提高异质外延水平仍是学术界一直探讨的问题。采用雾化学气相沉积(Mist-CVD)法在蓝宝石衬底上异质外延生长了氧化镓薄膜,通过优化工艺条件实现了物相调控,系统研究了外延膜的结晶质量、组分和表面形貌,以及生长速率变化规律。同时,探究了Mist-CVD生长系统中,Ga₂O₃外延膜的晶体成核及晶相控制机理。在原有α-Ga₂O₃生长工艺的基础上,制备了α/ε混相薄膜、ε-Ga₂O₃纯相薄膜,呈三维岛状生长模式。在ε-Ga₂O₃纯相薄膜的基础上,随着氧气流量的增加,结晶质量先稳定后下降,生长速率先增加后降低,最高达到3μm/h。通过退火,获得了β-Ga₂O₃纯相薄膜,表面粗糙度由10.80 nm降低至5.42 nm。在利用Mist-CVD法进行不同晶相外延调控及其生长机理研究方面具有一定借鉴意义。     

SiC籽晶上生长AlN单晶的杂质组成及处理

采用物理气相传输法在SiC异质籽晶上制备了AlN单晶。通过Raman光谱仪、X射线衍射仪、二次离子质谱仪和X射线光电子能谱研究了AlN单晶的结晶质量和杂质成分,针对不同的杂质成分提出了相应的处理方式。结果表明:C、O为AlN单晶中的主要杂质元素,其中C元素为非故意掺杂,与AlN单晶的生长环境密切相关,随着生长晶体厚度的增加,C杂质元素的含量逐渐降低。而O元素除了源粉和生长系统中吸附氧外,还与抛光过程中形成的氧化物层有关;经腐蚀和退火处理,AlN表面氧化物的含量大幅降低,N/Al摩尔比接近1;经杂质处理后的AlN单晶片可作为同质生长的籽晶。     

宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用

SiC是第3代宽带隙半导体的核心材料之一，具有极为优良的物理化学性能，应用前景十分广阔，本文综合介绍SiC的基本特性，材料的生长技术（包括体单晶生长和薄膜外延生长技术），SiC基器件的研发现状，应用领域及发展前景，同时还介绍了作者用脉冲激光淀积法在Si衬底上制备出单晶4H-SiC薄膜的研究结果。     

CuInS2-Cd(In)S-MoSe2纳米异质结增强光催化析氢反应的构建

利用太阳能分解水的半导体催化剂是最有希望解决能源危机和全球环境问题的方法之一。利用连续外延生长和阳离子交换法成功构建了独特的三元CuInS₂-Cd(In)S-MoSe₂纳米异质结构，并应用在光催化析氢反应(HER)中。实验结果表明，合成的CuInS₂-Cd(In)S-MoS₂异质结在HER中表现出良好的光催化活性和稳定性。该光催化剂设计方法可以应用到其他半导体材料系统，为设计具有整体高分解水性能的光催化剂提供有效的策略。     

Sr3Y1.98(BO3)4:0.02Sm3+荧光粉的制备及光谱性质

用高温固相反应法合成了Sr₃Y_1.98(BO₃)₄:0.02Sm³⁺橙红光荧光粉，研究了样的晶体结构性质和发光性质。荧光粉的激发光谱由宽带峰和锐峰组成。其中宽带峰位于紫外区，来自O^2-→Sm³⁺的电荷迁移带跃迁；锐峰位于近紫外和可见光区，来自Sm³⁺的f-f跃迁吸收。在403 nm的光激发下，Sr₃Y_1.98(BO₃)₄:0.02Sm³⁺的发射光谱展示出两个较弱的发射峰(⁴G_5/2→⁶H_5/2,566 nm;⁴G_5/2→⁶H_9/2,649 nm)和一个较强的发射峰(⁴G_5/2→^6...     

沉积温度和时间对多孔SiC薄膜的光致发光性能的影响

为了增强碳化硅(SiC)的光致发光性能,设计了三层结构的多孔SiC薄膜,衬底是单晶硅,中间层是双通阳极氧化铝(AAO)模板,顶层是SiC薄膜。采用磁控溅射工艺在AAO模板上沉积SiC薄膜,沉积温度为100~500 ℃,溅射时间为1~30 min。研究了沉积温度和沉积时间对SiC的光致发光性能的影响。结果表明:SiC薄膜为非晶态,SiC主要沉积在AAO模板的上层骨架结构上;与未经过溅射的样品相比,当衬底温度为200 ℃,溅射时间为1 min时, SiC的荧光性能增强至14.23倍;多孔SiC薄膜的荧光主要来自2.3 eV的主峰和2.8 eV的次主峰,主峰可能来自Al₂O₃的O缺陷发光与SiC本征发光,次主峰可能来自SiO₂的O缺陷发光。磁控溅射结合双通AAO模板法可应用于多孔荧光SiC薄膜的工业化快速制备。     

陷阱控制型应力发光材料Ca2Ga2GeO7:Pr3+的发光性能

相比于传统的破坏型应力发光材料,陷阱控制型应力发光材料在应力发光过程中具有良好的结构完整性和应力发光可重复性等优势,已在应力传感器、应力驱动的照明和显示器等领域展现出应用潜力,高性能陷阱控制型应力发光材料的开发对推动应力发光的应用进程具有重要意义。本工作研究了新型陷阱控制型应力发光材料Ca₂Ga₂GeO₇:Pr³⁺,通过测量XRD谱、漫反射光谱、荧光衰减曲线、发射光谱、应力发光光谱和热释光图谱对其发光特性进行了研究。Ca₂Ga₂Ge O₇:Pr³⁺的光致发光谱和应力发光光谱均具有位于488、610 nm和648 nm的发射峰,分别对应于Pr³⁺从³H₄→³P₀、³H₄→¹D₂和³F₂     

绝缘衬底上化学气相沉积法生长石墨烯材料

利用化学气相沉积法,在Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底上生长石墨烯材料,研究石墨烯的表面形貌、缺陷、晶体质量和电学特性。原子力显微镜、光学显微镜和拉曼光谱测试表明,Si_3N_4覆盖层可以有效抑制3CSiC缓冲层的形成;低温生长有利于保持材料表面的平整度,高温生长有利于提高材料的晶体质量。5.08cm蓝宝石衬底上石墨烯材料,室温下非接触Hall测试迁移超过1000cm2·V~(-1)·s~(-1),方块电阻不均匀性为2.6%。相对于Si衬底和蓝宝石衬底,SiC衬底上生长石墨烯材料的表面形态学更好,缺陷更低,晶体质量和电学特性更好,迁移率最高为4900cm2·V~(-1)·s~(-1)。     

石墨表面Si-SiC-TaB2抗烧蚀复合涂层的制备及性能研究

为了提高碳材料的抗烧蚀性能，以石墨块作为基体，SiC(d₅₀=10μm)、B₄C(d₅₀=50μm)、TaC(d₅₀=3μm)为主要原料，采用料浆法结合反应熔渗Si在石墨材料表面制备了Si-SiC和Si-SiC-TaB₂涂层，研究了涂层的物相组成、显微结构和元素分布，考察了Si-SiC-TaB₂复合涂层在室温至1 600℃的抗热震性能，并通过等离子火焰烧蚀试验(2 350℃分别烧蚀120和1 980 s)测试了涂层对石墨材料高温下的抗烧蚀防护性能。结果表明：Si-SiC-TaB₂复合涂层结构致密，涂层中SiC和TaB₂陶瓷颗粒与Si无明显界面；在1 600℃热震循环20次后，涂层试样的质量基本逐渐增加，具有良好的抗热震性能；Si-SiC-TaB₂复合涂层试样烧蚀1 980 s后质量增加，表面覆盖了含有Ta₂O₅和SiO₂的Ta...     

TiO2-SiO2∶Eu3+荧光粉的制备及发光性能的研究

采用溶胶凝胶法制备TiO₂-SiO₂∶Eu³⁺发光材料，通过XRD, FTIR,荧光光谱仪的测试表征材料的结构和发光性能。结果表明，通过溶胶凝胶法成功的制备了TiO₂-SiO₂复合氧化物荧光粉。FTIR证明1070cm^-1为Si-O-Si的反对称伸缩振动，795cm^-1为Si-O-Si的对称伸缩振动，937cm^-1为Ti-O-Si特征峰。荧光光谱表明以465nm为激发波长，Eu³⁺在612nm(⁵D₀→⁷F₂)红色发光最强。Ti/Si为1∶1时，Eu³⁺掺杂浓度为4mol%时发光强度最佳。     

无微管缺陷六英寸SiC单晶的制备EI北大核心CSCD

SiC单晶衬底中的微管缺陷对SiC基器件是一种致命的缺陷,会严重影响SiC功率器件的成品率.基于物理气相传输(PVT)法,通过改进生长设计装配制备了绝对零微管缺陷6 in的n型4H-SiC单晶.从结晶学和动力学原理对改进生长设计装配消除微管的机理进行分析,阐明了单晶生长过程中微管分解和闭合的机制.采用的优化生长设计方案不仅有利于提高SiC单晶生长的稳定性,更可以提高SiC单晶的结晶质量,达到快速降低微管缺陷目的.所制备的无微管缺陷、大尺寸6 in n型4H-SiC单晶更加适合制作高压以及特高压功率器件.     

界面结构可控的MoS2-WS2平面异质外延

二维过渡金属硫族化合物具备丰富的材料种类与物理特性,通过平面/垂直异质结构设计为拓展其电学及光电功能器件应用提供了更多自由度。异质界面控制,包括界面结构、耦合强度及外延尺寸设计,是实现异质结构性能调控的关键手段。通过设计一种精准控制平面异质外延界面结构的新方法,实现了具备宏观反平行嵌套的Mo S₂-WS₂平面异质结构制备。研究表明,该宏观反平行异质结在微观尺度具备平行晶格排布特征,即,Mo S₂与WS₂晶畴界面仍为原子无缝拼接结构。该研究结果进一步实现了丰富界面结构的Mo S₂-WS₂平面异质结制备,为二维材料异质外延的精准控制提供了一条新思路。     

无微管缺陷六英寸SiC单晶的制备

SiC单晶衬底中的微管缺陷对SiC基器件是一种致命的缺陷,会严重影响SiC功率器件的成品率。基于物理气相传输(PVT)法,通过改进生长设计装配制备了绝对零微管缺陷6in的n型4H-SiC单晶。从结晶学和动力学原理对改进生长设计装配消除微管的机理进行分析,阐明了单晶生长过程中微管分解和闭合的机制。采用的优化生长设计方案不仅有利于提高SiC单晶生长的稳定性,更可以提高SiC单晶的结晶质量,达到快速降低微管缺陷目的。所制备的无微管缺陷、大尺寸6inn型4H-SiC单晶更加适合制作高压以及特高压功率器件。     

Nd掺杂HfO2薄膜的分子束外延制备及铁电性

掺杂Hf O₂铁电薄膜在非易失性存储器件中的重要应用前景使其成为当前凝聚态物理与材料科学领域的一个研究热点。近年来，结果表明：La掺杂Hf O₂拥有优异的铁电性能，铁电剩余极化强度为45μC/cm²，是目前Hf O₂基薄膜材料中报道的最高值。由于Nd与La的化学性质相近，Nd掺杂同样有望增强HfO₂的铁电性，但相关研究工作却鲜有报道。使用氧化物分子束外延技术，在La_0.67Sr_0.33Mn O₃(底电极)/SrTiO₃(001)衬底上外延生长高质量Nd掺杂Hf O₂(Nd:HfO₂)薄膜。X射线衍射以及高分辨电镜表征结果均显示Nd掺杂有助于诱导Hf O₂从单斜相向正交相的转变，压电力显微镜和铁电测试仪进一步证实正交相Nd:Hf O₂具有良好的铁电性。此外，高分辨电子显微镜表征还发现Nd:Hf O_...     

Sr3Y2Ge3O12:Bi3+:紫外-可见-近红外超宽带应力发光及性能调控探索

现有应力发光多局限于单一波段。铋(Bi)离子能实现紫外–近红外波段的超宽发射,但是现有Bi离子激活应力发光材料多限于蓝光发射。针对这一问题,本工作在多格点石榴石化合物(Sr₃Y₂Ge₃O₁₂)中率先实现了紫外–可见–近红外超宽带应力发光,并借助近邻离子(Sc³⁺)取代策略调控其应力发光性能。最后,利用热释光测试等得到材料缺陷分布信息,并探究其应力发光机理。最后,基于多模式发光,该材料有望用于信息储存领域。     

Sm3+掺杂双钙钛矿结构Sr3Sn2O7的应力发光特性

Sr₃Sn₂O₇:Sm³⁺是一种被广泛研究的应力法光材料,但关于Sm³⁺掺杂量的研究仍然存在缺失。本工作采用高温固相法制备Sr_3–xSn₂O₇:x Sm³⁺。在Sr₃Sn₂O₇中掺入少量Sm³⁺后,样品仍然保持着非中心对称的双钙钛矿结构。样品在受到紫外灯激励或应力施加之后,能展现出稳定的光致发光、长余辉和应力发光性能,且这三者的光谱显示出一致性。应力发光来源于Sm³⁺的⁴G_5/2激发态向⁶H_J (J=5/2,7/2,9/2)基态的电子跃迁。通过调控x值对其发光性能进行优化,在x=0.020时性能最好。Sm³⁺掺杂量的变化对应力发光性能的影响,既对现有的相关工作进行了补充,同时...     

铜掺杂TiO2/PCN异质结光催化还原二氧化碳性能研究

以Cu Cl₂、NH₂-MIL-125(Ti)和尿素为前驱物，通过煅烧法制备了不同Cu掺杂量的二氧化钛/聚合氮化碳(PCN)异质结(Cu Ti CN)。其中3Cu Ti CN光催化还原CO₂性能最优，在可见光下CO的产生速率可达735μmol/(g·h)，分别是纯PCN和Ti O₂/PCN异质结的9倍和3倍。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气物理吸附、紫外可见漫反射光谱、光致发光谱(PL)等手段对光催化剂的组成、结构和光电化学性质进行了表征。研究发现，Cu掺杂和异质结的构建增强了可见光吸收，增大了材料的比表面积，提高了光生载流子的分离和传递效率。根据带隙数据和莫特-肖特基曲线得到了异质结的能带结构，并提出了Cu掺杂TiO₂/PCN异质结光催化还原CO₂的机理。