铁硅化合物β-FeSi2带间光学跃迁的理论研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了β-FeSi2基态的几何结构、能带结构和光学性质.能带结构计算表明β-FeSi2属于一种准直接带隙半导体,禁带宽度为0.74eV;其能态密度主要由Fe的3d层电子和Si的3p层电子的能态密度决定;利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的β-FeSi2材料的介电函数、反射谱、折射率以及消光系数等光学性质计算结果,复介电函数的计算结果表明β-FeSi2具有各向异性的性质;吸收系数最大峰值为2.67×105 cm-1.     

掺杂β-FeSi2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,对掺入Mn,Cr,Co,Ni的β-FeSi2的几何结构、能带结构和光学性质进行了研究.计算结果表明:(1)杂质的掺入改变了晶胞体积及原子位置,掺杂足调制材料电子结构的有效方式;(2)系统总能量的计算表明Mn掺杂时倾向于置换Fel位的Fe原子,而Cr,Co,Ni倾向于取代Fell位的Fe原子;能带结构的计算表明掺Mn,Cr使得β-FeSi2的费米面向价带移动,形成了P型半导体;而掺Co,Ni则使得β-FeSi2的费米面向导带移动,形成了n型半导体;(3)杂质原子的掺入在费米面附近提供了大量的载流子,改变了电子在带间的跃迁,对β-FeSi2的光学性质造成影响.     

掺杂β-FeSi2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,对掺入Mn,Cr,Co,Ni的β-FeSi2的几何结构、能带结构和光学性质进行了研究.计算结果表明:(1)杂质的掺入改变了晶胞体积及原子位置,掺杂足调制材料电子结构的有效方式;(2)系统总能量的计算表明Mn掺杂时倾向于置换Fel位的Fe原子,而Cr,Co,Ni倾向于取代Fell位的Fe原子;能带结构的计算表明掺Mn,Cr使得β-FeSi2的费米面向价带移动,形成了P型半导体;而掺Co,Ni则使得β-FeSi2的费米面向导带移动,形成了n型半导体;(3)杂质原子的掺入在费米面附近提供了大量的载流子,改变了电子在带间的跃迁,对β-FeSi2的光学性质造成影响.     

密度泛函理论研究：高压对β-FeSi2 (100)/Si(001)界面光学性质影响

高压对半导体材料β-FeSi2带隙和光学性质具有很好的调节作用。在本工作中,我们利用密度泛函理论研究了高压对具有Si缺陷结构的β-FeSi2 (100)/Si(001) 界面光学吸收行为的影响。随着压强的增大,光学吸收峰首先减小到一个最小值,然后才慢慢的增大。电子轨道分析表明：电子从价带的最高占据态到导带的最低非占据态的跃迁过程主要发生在界面区域的Fe原子轨道。结构分析表明：这种新奇光吸收行为依赖于施加在β-FeSi2 (100)界面区域的压力,Si(001) 结构可以部分的抵消施加在β-FeSi2 (100) 界面区域的压力,从而造成光吸收峰的下移。但是,当施加的压力足够大时,这种抵消作用开始减弱,从而造成光学吸收峰缓慢的上移。本研究表明压力可以有效的修饰其光学吸收行为。     

退火温度对嵌入Si中的β-FeSi2颗粒发光的影响

研究了退火温度对分子束外延(MBE)方法生长的Si基β-FeSi2颗粒的发光性质和电学特性的影响.结果表明,在900℃下退火的样品,虽然β-FeSi2的结晶质量有所提高,但是由于晶格失配和热膨胀系数的不同,在Si中引入位错,导致样品的光致发光谱展宽和形成的二极管漏电流增大.而在800℃下退火的样品,具有较低的漏电流和较强的室温电致发光谱.     

新型薄膜窄带隙光伏材料β-FeSi2的研究进展

环境友好半导体薄膜材料β-FeSi2具有0.85 eV的直接带隙结构、吸收系数大、对太阳光谱利用范围宽、原材料丰富、稳定性好等优点,被认为是一种非常有前途的窄带隙光伏材料.介绍了β-FeSi2薄膜基本结构及其光电特性,分析了国内外关于β-FeSi2薄膜光伏材料和器件的研究现状,指出了目前该领域研究中存在的问题和发展趋势,给出了在这方面取得的初步研究结果.     

C掺杂对离子注入合成β-FeSi2薄膜的影响

采用离子注入方法制备β-FeSi2薄膜,选择C作为掺杂元素,得到了β-FeSi2硅化物层与基体间的界面平直、厚度均一的高质量薄膜.经透射电镜分析可知,引入C离子后硅化物层的微结构向有利于薄膜质量的方向发展,晶粒得到细化,β-FeSi2层稳定性提高.从微结构角度考虑,引入C离子对于提高β-FeSi2薄膜的质量是很有益处的.进一步进行光学吸收表征,发现C离子的引入对β-FeSi2层的Egd值没有产生不良影响.讨论了Egd值的影响因素,如制备方法、工艺参数、基体取向、掺杂离子种类、掺杂离子数量、退火温度等等,解释了文献报道的不同Egd值.     

电致发光谱测量β-FeSi2-Si异质结载流子限制

设计了一种将β-FeSi2颗粒埋入非故意掺杂Si中的Si p-π-n二极管来确定β-FeSi2-Si异质结的能隙差.当二极管处于正向偏置时,通过Si n-p-结注入的电子扩散到β-FeSi2并由于Si与β-FeSi2之间的能隙差而受到限制,电荷在异质结的积累反过来阻挡了电子的继续扩散,将电子局域化在靠近Si n-p-结的p--Si区.少子的局域化减少了非辐射复合的途径,Si和β-FeSi2的发光增强,淬灭速率变慢,在室温低电流下仍可得到Si和β-FeSi2电致发光.Si和β-FeSi2发光强度的比率对温度的依存性表明同型异质结对电子限制能力的减弱符合热发射模型,由此确定出Si和β-FeSi2异质结导带带阶差为0.2eV.     

脉冲激光沉积β-FeSi2/Si(111)薄膜的工艺条件

用FeSi2合金靶作为靶材,采用准分子激光沉积法在Si(111)单晶基片上制备了单相的-βFeSi2薄膜,并将飞秒脉冲激光沉积法(PLD)引入到-βFeSi2薄膜的制备工艺中;用X射线衍射仪(XRD),场扫描电镜(FSEM),能谱仪(EDS),紫外可见光光谱仪研究了薄膜的结构、组分、表面形貌和光学性能。基片温度为500℃,采用KrF准分子脉冲激光沉积法可获得单相的-βFeSi2薄膜。衬底温度为550℃时,-βFeSi2出现迷津状薄层。采用飞秒脉冲激光法-βFeSi2薄膜的合成温度比准分子脉冲激光沉积法制备温度低50~100℃;薄膜的晶粒分布均匀连续,没有微米级的微滴;飞秒脉冲激光沉积效率比准分子激光的高1000倍以上,是一种快速高效的-βFeSi2薄膜沉积技术。     

能带匹配对β-FeSi2(n)/ c-Si(p)太阳能电池转化效率的影响

运用AFORS-HET软件对TCO/β-FeSi2(n)/a-Si(i)/ c-Si(p)/ μc-Si(p )型太阳能电池各层结构之间的能带匹配进行了模拟。模拟结果表明,透明导电氧化膜与n型层间的能带匹配对太阳能电池的转化效率、开路电压和填充因子有较大影响,可以通过能带匹配有效地提高太阳能电池的转化效率。导带补偿会阻碍少数载流子的输运,界面态会加快少数载流子在界面的复合,降低导带失配,从而有利于提高太阳能电池的转化效率。衬底与背场的界面电场可以提高太阳能电池的转化效率。     

锰掺杂对钛酸锶铅铁电薄膜带-带跃迁和带尾吸收特性的影响

通过透射光谱研究了锰掺杂量对钛酸锶铅铁电薄膜光学特性尤其是带-带跃迁和带尾吸收特性的影响,并利用柯西色散关系获得了光学透明区的光学常数.研究表明:随着锰掺杂量的增加,钛酸锶铅铁电薄膜的禁带宽度减小而带尾能增加.禁带宽度随锰掺杂的收缩可以归因为锰3d轨道降低了导带底的能级及掺杂后晶格的减小.掺杂锰离子的随机占位和非等价掺杂后氧空位浓度的增加则是导致局域带尾态拓宽的主要原因.     

碳掺杂β-FeSi2薄膜的电子显微学研究

本文利用透射电子显微镜对离子注入合成的β-FeSi2和β-Fe(C,Si)2薄膜进行了对比研究.电镜观察结果表明,选择C作为掺杂元素,能够得到界面平直、厚度均一的高质量β相薄膜,晶粒得到细化,β-FeSi2层稳定性提高.尤其在60kV、4×1017ions/cm2条件下注入直接形成非晶,在退火后会晶化为界面平滑、厚度均匀的β-FeSi2薄膜.因此从微结构角度考虑,引入C离子有益于提高β-FeSi2薄膜的质量.     

直流磁控溅射工艺参数对β-FeSi_2薄膜性能的影响

采用室温直流磁控溅射Fe-Si组合靶的方法,经过后续Ar气氛围退火,在单晶Si(111)衬底上生长β-FeSi2薄膜。研究了溅射功率、工作气压、Ar气流量、沉积时间等工艺参数对β-FeSi2薄膜结构特性及电学特性的影响,通过Raman、Hall、X射线衍射(XRD)等测试对其性能进行表征,对工艺参数进行了优化,在溅射功率为80W、工作气压为1.3Pa和Ar气流量为35SCCM时溅射沉积Fe-Si薄膜,不仅可以得到单一相的β-FeSi2,而且薄膜结晶质量较好。最终,在上述实验条件下制备得到的未掺杂的β-FeSi2薄膜是n型导电的,β-FeSi2薄膜中载流子浓度约为3.3×1016cm-3,迁移率为381cm2/Vs。     

电致发光谱测量β-FeSi2-Si异质结载流子限制

设计了一种将β-FeSi2颗粒埋入非故意掺杂Si中的Si p-π-n二极管来确定β-FeSi2-Si异质结的能隙差.当二极管处于正向偏置时,通过Si n-p-结注入的电子扩散到β-FeSi2并由于Si与β-FeSi2之间的能隙差而受到限制,电荷在异质结的积累反过来阻挡了电子的继续扩散,将电子局域化在靠近Si n-p-结的p--Si区.少子的局域化减少了非辐射复合的途径,Si和β-FeSi2的发光增强,淬灭速率变慢,在室温低电流下仍可得到Si和β-FeSi2电致发光.Si和β-FeSi2发光强度的比率对温度的依存性表明同型异质结对电子限制能力的减弱符合热发射模型,由此确定出Si和β-FeSi2异质结导带带阶差为0.2eV.     

不同浓度Ti掺杂Ca2Si电子结构及光学性质的研究

采用第一性原理方法计算不同Ti含量Ca_2Si的几何结构、能带结构、电子态密度及光学性质。几何结构和电子结构的计算结果表明,Ti掺杂使Ca_2Si的晶格常数a增大,b、c减小,晶胞体积减小。Ca_(2-x)Ti_xSi的带隙变宽,其中掺杂浓度为4.2%时带隙最大为0.55 eV,费米面进入导带,导电类型为n型。Ti的掺入削弱了Ca的3d态电子贡献,费米能级附近电子态密度仍主要由Ca-3d态电子贡献。光学性质的计算结果表明,Ti掺入后介电函数虚部、吸收系数向低能端偏移,光学跃迁强度减弱,反射率在E=0 eV处增大。     

硅上β-FeSi2的超高真空镀膜外延及其光学性质研究

成果简介 β-FeSi2作为一种新型半导体材料,具有Eg＝0.84-0.89eV直接带隙,并能在硅表面外延,为利用成熟的硅器件工艺发展硅基近红外光源,探测器等光电器件,并进而发展光电器件与VLSI及ULSI的集成提供了可能.     

β-FeSi2(n)/a-Si(i)/c-Si(p)/μc-Si(p+)异质结太阳能电池模拟与优化

运用AFORS-HET软件对β-FeSi2(n)/a-Si(i)/c-Si(p)/μc-Si(p+) HIT型异质结太阳能电池的性能进行了模拟,并对各层参数进行了优化。模拟结果表明,在FeSi2(n) /c-Si(p)结构上加上本征层和背场,能显著地提高电池的性能。加入缺陷并优化各项参数后,电池的最后参数为VOC=647.7 mV, JSC=42.29 mA·cm-2, FF=75.32%, EFF=20.63%, β-FeSi2(n) /c-Si(p)太阳能电池的效率提高了2.3%。     

氧分压对磁控溅射β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理,在5.08 cm(2 inch)c-plane蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜,研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响.通过调控氧分压,获得了具有{-2 01}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜,其最大晶粒尺寸达到138 nm,在300～800 nm波段透射率大于80％,最大光学带隙达5.12 eV.最优的薄膜表面粗糙度达0.401 nm,800 nm波长处折射率为1.94.实验结果表明,降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多,从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙;适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度,并提高致密度.