专利名称：一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si系三元非晶薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si三元非晶薄膜及其制备方法，属半导体材料技术领域。
背景技术：
半导体金属硅化物是太阳能电池用材料之一，它们与单晶硅技术有极好的相容性，具有金属的导电性、高的热稳定性、抗氧化性以及优越的力学稳定性，同时半导体硅化物也以其优越的环境友好特性赢得了广泛的关注，尤其是过渡族金属硅化物。其中典型的有β-FeSi2和(:6丨2。β-FeSi2具有0.83、.87eV直接带隙，对红外波长有着较大的光吸收系数(α ΜΟ πΓ1，1.0eV)，理论光电转换效率可达到16 23%，可以用来制备高效的太阳能电池、发光二极管、光探测器等。同时它在热电领域同样有着潜在的应用价值，可以用来制备温差发电机、热传感器等。CrSi2也是一种P型半导体，其具有更窄的带隙(0.3(T0.35eV)，与其他过渡金属半导体硅化物材料相比，CrSi2晶体与硅衬底之间具有最小的晶格失配率。当前制备β-FeSi2存在的问题如下:(I) β -FeSi2是一种线性化合物，在制备体材料或薄膜材料时都极易生成Fe和Si的其它中间化合物(如ε-FeSi和C1-FeSi2),出现多相混杂的状况。其晶体中还极易出现层错、孪晶等缺陷，因此很难得到高质量纯的β -FeSi2材料。(2) P-FeSi2在用于光电领域时，多数以单晶Si为基制备薄膜，但存在较大的膜基失配问题，导致其很多性能未能达到理论预期。
(3)目前使用不同方法制备的二元P-FeSi2材料，其带隙宽度在0.87eV左右变化，虽略有不同，但不能进行调制。加入第三组元后的晶态三元FeSi2型材料则很容易出现相分离的现象，带隙宽度虽然能较大范围调制，但是增加了结构的不稳定性，使得多相混杂的状况进一步恶化。
发明内容
本发明针对上述不足,在二元β-FeSi2研究的基础上,用Cr元素替代β-FeSi2结构中四分之一的Fe元素,通过调整Fe-Cr-Si三元系统中Si的含量来较大范围的调制带隙宽度。同时采用制备非晶态薄膜的方式，有效回避晶态薄膜中晶格失配及多相混杂等问题，而且非晶态能够保证成分均匀，进而保证性能稳定。本发明旨在制备一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si三元非晶薄膜，从而提高材料的使用性能，扩展材料的适用范围。本发明采用的技术方案是:一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si系三元非晶薄膜具有如下通式=Fe3Cr1Six, χ为8 18 ;随着χ从8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从O增加到0.65eV，薄膜结构始终为非晶态。所述的可调制带隙宽度的Fe-S1-Cr系三元非晶薄膜的制备方法采用下列步骤:
(一)制备合金溅射靶材，其步骤如下:①备料:按照Fe与Cr原子百分比3:1称取各组元量值，待用Fe、Cr金属原料的纯度为99.9%以上；②Fe3Cr1合金锭的熔炼:将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为
0.03±0.0lMPa，熔炼电流密度的控制范围为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe3Cr1合金锭；③Fe3Cr1合金棒的制备:将Fe3Cr1合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用上述真空电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为0.03±0.0lMPa，熔炼所用电流密度为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到要求规格的Fe3Cr1合金棒；④合金贴片的制备:用低速锯将合金棒切成所需厚度的合金小片；⑤合金溅射靶材的制备:用导电银胶将Fe3Cr1合金片粘贴在溅射所用纯度为99.999%的基础Si靶上，或者将Fe3Cr1合金片直接镶嵌到有孔的纯度为99.999%基础Si靶上制成组合合金溅射靶材；(二)制备Fe-S1-Cr系三元非晶薄膜，其步骤如下:①磁控溅射薄膜制备的Si(IOO)和Al2O3(OOOl)基片清洗:两种基片都需经过丙酮、酒精和去离子水超声波清洗各10分钟；另外Si基片还需放入5%的HF中浸泡2 3分钟，取出再用去离子水冲洗干净；最后用N2将`两种样品吹干后放入真空室；②磁控溅射设备抽真空:样品和靶材都放入真空室后，设备机械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵进行精抽真空，真空度抽至8.0X ICT4Pa ；③真空度达到所需的高真空后，充入纯度为99.999%的氩气至气压2Pa，让靶材起辉，然后调节氩气流量到10.0Sccm,工作气压调制0.5Pa，溅射功率85 120W，靶基距为8 12cm，溅射时间为6(T90min，溅射完毕后，设备冷却30min，取出三元Fe-S1-Cr薄膜样品。采用上述技术方案制备的Fe3Cr1Six是非晶态薄膜材料，薄膜的生长速率约为5nm/min，所制备的Fe3Cr1Six薄膜的带隙宽度可以通过Si含量的不同进行调制，故而扩大其使用范围。在Si (100)和 Al2O3(OOOl)基片上制备 Fe3Cr1Six(X=ClS)薄膜，用 Cr 元素替代β -FeSi2结构中四分之一的Fe元素，溅射过程中采用的靶材合金贴片的成分比例只有一种=Fe3Cr1，通过改变合金片的个数，就能改变Fe3Cr1Six薄膜中Si的比例，进而得到具有不同带隙宽度的非晶态薄膜。该方法具有工艺条件易于控制，薄膜的均匀性好，便于产业化等优点。所制备的薄膜带隙可调，附着性能好，应用前景广阔。本发明的有益效果是:这种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si系三元非晶薄膜具有如下通式=Fe3Cr1SipxSflS ;随着χ从8增加到18，带隙宽度从O增加到0.65eV，薄膜结构始终为非晶态。把Fe3Cr1Six(x=8 18)薄膜与普通的二元过渡金属硅化物薄膜相比有如下优点:①Fe3Cr1Six薄膜是一种新型的三元半导体非晶薄膜,可以做到从O到0.65eV较大范围内调制带隙宽度，Cr的作用不单可以影响带隙宽度，而且增加一个组元薄膜的非晶形成能力也会增加；②只要改变组合溅射靶中Fe3Cr1合金片的个数，就可以方便地调整Fe3Cr1Six薄膜中Si的比例，进而获得实际所需的不同带隙宽度逾所制备的Fe3Cr1Six(X=ClS)薄膜均为非晶态，能够保证成分和性能均匀，有效回避晶态薄膜制备中的晶格失配以及多相混杂等问题。适宜制造近红外探测器等窄带隙半导体器件。
图1是三元非晶薄膜Fe3Cr1Si8的TEM形貌像和膜层区域的选区电子衍射花样。图2是三元非晶薄膜Fe3Cr1Siu6的TEM形貌像和膜层区域的选区电子衍射花样。图3是三元非晶薄膜Fe3Cr1Si1U的TEM形貌像和膜层区域的选区电子衍射花样。图4是三元非晶薄膜Fe3Cr1Si13^的(a T)2 - E关系曲线。图5是三元非晶薄膜Fe3Cr1Si17J的(qT)2 - E关系曲线。图1、2、3中，由TEM结果可知，本发明制备的薄膜膜基界面清晰，膜层比较平整、连续，且厚度均匀，而膜层区域的选区电子衍射花样除了看到明显的漫散环外，没有其他信息，表明制备的薄膜均为非晶态。图4、5中，横坐标是能·量Ε，单位为eV，纵坐标是(α T)2，任意单位a.U。由图可知本发明制备的三元非晶薄膜Fe3Cr1Siu6和Fe3Cr1Si17^的带隙宽度分别为0.54eV、0.60eV。
具体实施例方式下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。 实施例1:磁控溅射方法制备Fe3Cr1Si8薄膜(一)制备合金溅射靶材，其步骤如下:①备料:按照Fe与Cr原子百分比3:1称取各组元量值，待用Fe、Cr金属原料的纯度为99.9%以上；②Fe3Cr1合金锭的熔炼:将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为
0.03±0.0lMPa，熔炼电流密度的控制范围为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe3Cr1合金锭；③Fe3Cr1合金棒的制备:将Fe3Cr1合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用上述真空电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为0.03±0.0lMPa，熔炼所用电流密度为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到直径为IOmm的Fe3Cr1合金棒；④合金贴片的制备:用低速锯将合金棒切成厚度约为1.5mm的合金小片；⑤合金溅射靶材的制备:用导电银胶将7片Fe3Cr1合金片粘贴在溅射所用纯度为99.999%的基础Si靶上(直径为75mm)制成组合合金溅射靶材。(二)制备Fe3Cr1Si8三元非晶薄膜，其步骤如下:①磁控溅射薄膜制备的Si (100)和Al2O3(OOOl)基片清洗；两种基片都需经过丙酮、酒精和去离子水超声波清洗各10分钟；另外Si基片还需放入5%的HF中浸泡2 3分钟，取出再用去离子水冲洗干净；最后用N2将两种样品吹干后放入真空室；②磁控溅射设备抽取真空；样品和靶材都放入真空室后，设备机械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵进行精抽真空，真空度抽至8.0X ICT4Pa ；③真空度达到所需的高真空后，充入氩气(纯度为99.999%)至气压2Pa左右，让靶材起辉，然后调节氩气流量到10.0Sccm，工作气压调制0.5Pa，溅射功率100W，靶基距约为10cm。溅射时基片没有加热也没有人为冷却。溅射时间为60min，溅射完毕后，设备冷却30min后，取出薄膜样品。为防止样品氧化，样品溅射完成后，不要尽快取出，随设备冷却半小时后再取出样品。(三)分析采用日本岛津公司的EPMA-1600电子探针分析仪监测薄膜成分，采用德国布鲁克D8 discover薄膜X射线衍射仪(XRD)、Philips Technai G2型透射电子显微镜对薄膜进行微结构分析。带隙宽度由UV3600型紫外-可见-近红外分光光度计进行分析。EPMA分析薄膜中Fe、Cr、Si三种元素的含量依次为24.9at.%，8.5at.%，66.6at.%。FeXr的原子比为3:1，所以将成分式写成Fe3Cr1Si815 XRD和TEM检测结果表明在Fe3Cr1Si8样品中未发现晶体信息，说明制备的是非晶薄膜。TEM图像测量薄膜的厚度为310nm，带隙宽度测量时没有观察到明显吸收，所以此时带隙宽度为OeV。实施例2:磁控溅射方法制备Fe3Cr1Siu6薄膜制备过程与实施例1相同，仅调整制备组合合金溅射靶材的合金片个数:由5片Fe3Cr1合金片粘贴在溅射所用基础Si靶上制成。EPMA分析薄膜中Fe、Cr、Si三种元素的含量依次为16.9at.%, 5.7at.%, 77.4at.% Fe、Cr的原子比为3:1，所以将成分式写成Fe3Cr1Si1160 XRD和TEM检测结果表明在Fe3Cr1Si116样品中未发现晶体信息，说明制备的是非晶薄膜。TEM图像测量薄膜的厚度为315nm，带隙宽度测量为0.54eV。实施例3:磁控溅射方法制备Fe3Cr1Si17.3薄膜制备过程与实施例1相同，仅调整制备组合合金溅射靶材的合金片个数:由4片Fe3Cr1合金片粘贴在溅射所用基础Si靶上制成。EPMA分析薄膜中Fe、Cr、Si三种元素的含量依次为14.1 at.%,4.7at.%，81.2at.%。Fe、Cr的原子比为3:1，所以将成分式写成Fe3Cr1Si17.30 XRD和TEM检测结果表明在Fe3Cr1Si17J样品中未发现晶体信息，说明制备的是非晶薄膜。TEM图像测量薄 膜的厚度为323nm，带隙宽度测量为0.60eV。
权利要求
1.一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si系三元非晶薄膜，其特征在于:具有如下通式:Fe3Cr1SipxSflS ;随着x从8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从O增加到0.65eV,薄膜结构始终为非晶态。
2.根据权利要求1所述的可调制带隙宽度的Fe-S1-Cr系三元非晶薄膜的制备方法，其特征在于:采用下列步骤: (一)制备合金溅射靶材，其步骤如下: ①备料:按照Fe与Cr原子百分比3:1称取各组元量值，待用Fe、Cr金属原料的纯度为·99.9%以上； ②Fe3Cr1合金锭的熔炼:将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为·0.03±0.0lMPa，熔炼电流密度的控制范围为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe3Cr1合金锭； ③Fe3Cr1合金棒的制备:将Fe3Cr1合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用上述真空电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为0.03±0.0lMPa，熔炼所用电流密度为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到要求规格的Fe3Cr1合金棒； ④合金贴片的制备:用低速锯将合金棒切成所需厚度的合金小片； ⑤合金溅射靶材的制备:用导电银胶将Fe3Cr1合金片粘贴在溅射所用纯度为99.999%的基础Si靶上，或者将F e 3Cr1合金片直接镶嵌到有孔的纯度为99.999%基础Si靶上制成组合合金溅射靶材； (二)制备Fe-S1-Cr系三元非晶薄膜，其步骤如下: ①磁控溅射薄膜制备的Si(100)和Al2O3 (0001)基片清洗:两种基片都需经过丙酮、酒精和去离子水超声波清洗各10分钟；另外Si基片还需放入5%的HF中浸泡2 3分钟，取出再用去离子水冲洗干净；最后用N2将两种样品吹干后放入真空室； ②磁控溅射设备抽真空:样品和靶材都放入真空室后，设备机械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵进行精抽真空，真空度抽至8.0X ICT4Pa ； ③真空度达到所需的高真空后，充入纯度为99.999%的氩气至气压2Pa，让靶材起辉，然后调节氩气流量到10.0Sccm,工作气压调制0.5Pa，溅射功率85 120W，靶基距为·8 12cm，溅射时间为6(T90min，溅射完毕后，设备冷却30min，取出三元Fe-Cr-Si薄膜样品。
全文摘要
一种可调制带隙宽度的Fe-Cr-Si三元非晶薄膜及其制备方法，属半导体材料技术领域。该薄膜材料具有如下通式Fe3Cr1Six，x为8~18；随着x从8增加到18，带隙宽度从0增加到0.65eV，薄膜结构均为非晶态。该薄膜与普通的二元过渡金属硅化物薄膜相比有如下优点①Fe3Cr1Six薄膜是一种新型的三元半导体非晶薄膜，可以做到从0到0.65eV较大范围内调制带隙宽度，Cr的作用不单可以影响带隙宽度，而且增加一个组元薄膜的非晶形成能力也会增加；②只要改变组合溅射靶中Fe3Cr1合金片的个数，即可方便地调整Fe3Cr1Six薄膜中Si的比例，进而获得不同带隙宽度；③Fe3Cr1Six薄膜均为非晶态，能够保证成分和性能均匀，有效回避晶态薄膜制备中的晶格失配以及多相混杂等问题。适宜制造近红外探测器等窄带隙半导体器件。
文档编号C23C14/14GK103074553SQ20131001660
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者李晓娜, 郑月红, 董闯 申请人:大连理工大学