飞秒激光沉积β-FeSi2/Si半导体膜及光学性能研究

采用飞秒脉冲激光沉积法在Si（100）和Si（111）单晶基片上制备了均匀的单相β-FeSi2薄膜;用X射线衍射（XRD）,场扫描电镜（FESEM）,能谱仪（EDX）,傅立叶红外拉曼谱仪（FTRIS）研究了薄膜的结构、组分、表面形貌和光学性能.观察到了β-FeSi2在Si单晶基片上的生长与晶面取向有关的证据,并在室温（20℃）下观测到β-FeSi2薄膜的光致发光,其发光波长为1.53μm;在氩离子514nm激光的激发下,在192.0和243.9cm-1等位置观察到β-FeSi2的拉曼散射峰.     

β-FeSi2基热电材料的研究进展

介绍了β-FeSi2合金的基本特性和制备方法.评述了目前通过不同的元素掺杂可制得N型或P型β-FeSi2基半导体材料以及在热电性能方面取得的重要大进展.其中掺杂Co,B元素可得到N型β-FeSi2基半导体材料,且掺杂Co,在850 K最大ZT值为0.4;而掺杂B,高于800 K时Z值是未掺杂3～6倍,在667 K最大Z值为1.18×10-4 K-1.掺杂Mn,Cu,Al可获得P型β-FeSi2基半导体材料,掺杂Mn在873 K时最大Z值达2×10-4 K-1;掺杂Cu可缩短β相的生成时间;掺杂Al,在743 K获得的最大Z值为1.55×10-4 K-1.指出通过结构优化、组分调整,进一步提高β-FeSi2基合金的热电性能.     

机械合金化工艺对Fe_(33)Si_(67)合金微观组织结构的影响

以Fe33Si67(原子分数)为研究对象,采用机械合金化方法制备β-FeSi2热电材料。用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了球磨机转速、球料比及球磨时间等工艺参数对生成物物相和显微形貌的影响,着重研究了机械合金化引起的Fe-Si合金相变过程。研究表明,随球磨时间的延长,合金粉末依次析出ε-FeSi、α-FeSi2和β-FeSi2相,随后β-FeSi2、α-FeSi2相消失,合金粉末转化为单一相ε-FeSi;在球磨机转速为450r/min、球料比为10∶1、球磨时间为35～50h时,所得合金粉末中β-FeSi2相的质量分数约为50%。     

β-FeSi_2材料的高压-热处理合成研究

采用高压技术结合热处理成功地获得了β-FeSi2材料。采用X射线衍射仪分析了退火时间等实验参数对Fe-Si合金相变的影响,借助扫描电子显微镜考察了样品退火后的微观形貌。结果表明在850℃的条件下保温保压30min后淬冷,生成以α-FeSi2、ε-FeSi为主的Fe-Si金属间化合物,随着热处理时间延长β-FeSi2逐渐增多。     

β-FeSi2材料的生长、性质及其在光电子器件中的应用

过渡金属硅化物β-FeSi2是具有直接带隙特性的半导体材料，禁带宽度约0．8eV，是制作硅基光电子光源及探测器件以及太阳能电池，热电器件等最有发展前景的硅基材料之一。目前，已经用多种方法在硅衬底上进行了薄膜外延生长及器件制作的尝试，取得了一定的成功。文中就近年来β-FeSi2薄膜材料的生长，性质以及在光电子器件中的应用进行了评述。     

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)。     

基于β-FeSi2薄膜的异质结研究现状

详细介绍了β-FeSi2的结构和β-FeSi2薄膜的物理特性,以及基于β-FeSi2薄膜的异质结在光电方面的应用.目前,基于β-FeSi2薄膜的异质结应用的研究主要集中在PL和EL等LED领域,而对其应用于太阳能电池方面的研究还很薄弱,所获得的光电转换效率最高是3.7%,远低于其16%～23%的理论值.     

脉冲激光沉积法制备β-FeSi_2半导体薄膜

采用脉冲激光沉积(PLD)法在p型Si(100)衬底上制备了β-FeSi2半导体薄膜,并在沉积系统中进行了800℃、3h的原位高温退火过程,最后采用X射线衍射仪、3D显微镜、原子力电子显微镜、荧光光谱仪分析了实验样品的晶体结构、表面形貌、元素组成、红外吸收和光致发光特性。分析实验结果发现,制备的单相β-FeSi2多晶半导体薄膜结晶质量良好,β-FeSi2在Si(100)衬底上沿(202/220)方向择优生长,且在常温下测得了β-FeSi2半导体薄膜的光致发光谱。     

离子束溅射沉积Fe/Si多层膜法合成β-FeSi_2薄膜的研究

采用离子束溅射沉积Fe/Si多层膜的方法在石英衬底上制备了β-FeSi2薄膜,研究了不同厚度比的Fe/Si多层膜对β-FeSi2薄膜的结构性能、形貌及光学性能的影响。结果表明,厚度比为Fe(2nm)/Si(7.4nm)的多层膜在退火后完全生成了β-FeSi2相,表面致密均匀,其光学带隙为0.84eV,能量为1.0eV光子的吸收系数105cm-1。     

退火温度对磁控溅射制备的β-FeSi2薄膜的影响

采用磁控溅射的方法，在高真空条件下，沉积金属Fe到Si（100）衬底上，然后通过真空退火炉在不同温度条件下对样品进行热处理，直接形成了β-FeSi2薄膜．采用X射线衍射仪（XRD）对样品进行了晶体结构分析，利用卢瑟福背散射（RBS）对Fe-Si化合物的形成过程中的Fe原子和Si原子的互扩散机理进行了研究，利用扫描电镜（SEM）对样品表面的显微结构进行表征，结果表明，在900℃条件下退火能够得到质量很好的β-FeSi2薄膜，超过这一温度β相将开始向α相转化，到1000℃，β-FeSi2全部转化为α-FeSi2。     

不同溅射气压对β-FeSi2形成的影响木

采用磁控溅射方法，在不同的溅射气压（Ar气0．5-3．0Pa）条件下沉积纯金属Fe到Si（100）衬底上，通过真空退火炉在800℃对样品进行保温2h，直接形成了正交的β-FeSi2薄膜，利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、椭偏光谱仪，对不同溅射气压下合成的β-FeSi2薄膜的结晶特性、表面形貌及光学性能进行表征，研究了不同溅射气压对制备β-FeSi2薄膜的影响。结果表明：在1．5Pa时能形成较好的β-FeSi2薄膜，临界溅射气压在2．0Pa附近，当溅射气压低与临界值时，β-FeSi2薄膜的成核密度较高，且成核密度随溅射气压的增大而降低；当溅射气压超过临界值以后，β-FeSi2薄膜的成核密度基本不变；薄膜的折射率n随压强的增大而增大，消光系数k随压强的增大而减小。     

环境友好半导体β-FeSi2薄膜的制备方法研究

分析了制备和热处理过程中薄膜沉积方法和沉积条件、沉积速率、薄膜厚度、热处理方法和热处理条件等因素对β-FeSi2相的形成的影响,结果表明,影响β-FeSi2相形成的决定性因素是热处理的温度和时间,此外薄膜的沉积方法和薄膜厚度对β-FeSi2相也有重要的影响。     

靶基距对脉冲激光沉积β-FeSi2薄膜质量的影响

常用的分子束外延、粒子束沉积法难以获得均匀、致密性好的单一相β-FeSi2薄膜,利用脉冲激光沉积及热退火处理法在P型Si(100)基片上制备了均匀的单一相β-FeSi2薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电镜、原子力显微镜及红外光谱仪研究了靶基距对β-FeSi2薄膜的结构、组分、结晶质量、表面形貌及光吸收特性的影响。结果表明:随着靶基距的增加,薄膜的晶化程度先变差后增强再变差,晶粒尺寸先减小后增大再减小,颗粒分布均匀性先变好后变差;表面粗糙度先减小后增大;靶基距为40 mm时,β-FeSi2薄膜的结晶度较高,颗粒大小均匀、趋于球形化,薄膜致密性较好,粗糙度较低,对红外光的吸收较好。     

原位氧化对Al掺杂β-FeSi2热电材料结构与性能的影响

研究了快速凝固／热压Al掺杂FeSi2基合金中的微观组织特征以及原位生成氧化物颗粒对热电材料电学性能的影响。结果表明，随着对快速凝固粉末氧化处理时间的延长，P型掺杂的β-FeSi2半导体会先转变成n-型，然后又转变成P-型半导体，并存在“热伏极性反转”现象，氧化处理降低β-FeSi2基热电材料的电学性能，未经氧化处理的FeAl0.1Si2材料在测量温度范围内的功率因子最大，在500℃达到465μW.m^-1.K^-1。     

Fe0．875Mn0．125Si2的几何结构与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法，对掺Mn的β-Fesi2的几何结构和电子结构进行了计算。计算表明：（1）杂质的掺入改变了晶胞体积及原子位置，掺杂是调制材料电子结构的有效方式；（2）在β-FeSi2中掺入杂质时掺杂原子的置换位置具有择位性，Mn掺杂时倾向于置换FeI位的Fe原子；（3）能带结构计算表明：掺Mn使得β-FeSi2的费米面向价带移动，形成了P型半导体。     

β-Fesi2热电材料的研究进展

综述了β－FeSi2热电材料晶体学和电子学的基本性质，介绍了通过掺杂和改变微观结构以改善β-FeSi2热电性能这两种常用方法，并指出其存在问题和研究方向。     

Si(111)衬底上离子束溅射沉积法生长β-FeSi2薄膜的研究

采用离子束溅射Fe靶的方法在500～800℃的Si(111)衬底上制备出不同种类的铁硅化合物.当衬底温度为700℃时得到厚度为500nm的单相的β-FeSi2薄膜,高分辨透射电镜证实该β-FeSi2薄膜为局部外延,薄膜和Si衬底之间界面明显,没有中间层.     

真空热处理制备β-FeSi2光电薄膜的研究

磁控溅射法沉积的Fe／Si多层膜和Fe单层膜经真空热处理后制备了β-FeSi2薄膜。[Fe1nm／Si3.2nm]60多层膜在〈880℃温度下真空热处理2h后，样品均呈现β（220）／（202）择优取向，而Fe单层膜制备的样品则易形成β-FeSi2与ε-FeSi相的混合物，且取向杂乱。在920℃真空热处理后，两种样品都形成了α-FeSi2薄膜。原子力显微镜分析表明，样品表面粗糙度随热处理温度升高而变大，最大表面均方根粗糙度约为16nm。卢瑟福背散射分析发现，Fe／Si多层膜样品热处理过程中元素再分布很小。根据光吸收谱测量，Fe／Si多层膜制备的β-Fesi2薄膜的禁带宽度为0．88eV。     

Fe0.92Mn0.08Six半导体热电性能的研究

采用快速凝固方法制备了FeSi2基热电材料Fe0.92Mn0.08Six(x=1．9、2．0、2．1、2．3、2．5)粉末，在高真空下采用热压法制备了块状热电材料。x射线衍射分析表明，所有试样热压后均达到了相平衡，而且x=1．9和2．0的试样热压后就完成了β-FeSi2相转变，随着Si含量的增加，β相逐渐减少，α相逐渐增多。热压试样经800℃退火20h后，完全转变为β半导体相。热压退火试样的致密度为93％～98％。研究发现，弥散分布的过量Si较少时，有利于提高β-FeSi2基热电材料的性能。名义成份为Fe0.92Mn0.088Si2.1的试样在高温区的无量纲优值最大，650℃时达到0．18。但是．当Si过量较多时，试样的热导率明显增加．显著降低了试样的优值。     

Fe/Si多层膜经快速热退火合成β-FeSi_2薄膜的研究

采用磁控溅射仪在高阻Si(100)衬底上沉积了[Fe(0.5nm)/Si(1.6nm)]120和[Fe(1nm)/Si(3.2nm)]60多层膜,并在Ar气气氛下进行了1000℃,10s的快速热退火。为了比较,也进行了880℃,30min的常规退火。采用X射线衍射仪、原子力显微镜、光谱仪和霍尔效应仪分析了样品的晶体结构、表面形貌、光吸收特性和电学性能。结果表明:Fe/Si多层膜法合成的样品均为β-FeSi2相且在(220)/(202)方向择优生长;经快速热退火合成的β-FeSi2薄膜光学带隙约为0.9 eV。[Fe(1nm)/Si(3.2nm)]60多层膜经快速热退火合成的β-FeSi2薄膜表面粗糙度最小,该薄膜样品为p型导电,载流子浓度为4.1×1017cm-3,迁移率为48cm2/V.s。