真空蒸發(fā)制備CdSexTe1-x薄膜及其性能研究

2013-12-25 劉永生內蒙古大學物理科學與技術學院

　　按不同比例混合CdTe和CdSe兩種化合物，利用真空蒸發(fā)法在玻璃襯底上制備了CdSexTe1-x三元化合物薄膜，分別利用XRD、SEM、EDX、XPS、紫外-可見分光光度計對薄膜的物相結構、表面形貌、元素組成以及光學性能進行了測試，分析了x值和熱處理對薄膜的影響。測結果表明，薄膜均為立方閃鋅礦結構的CdSexTe1-x三元化合物，沿(111)晶面擇優(yōu)生長，晶格常數與x呈線性遞減關系；隨x值增加薄膜的光學帶隙逐漸減小，x=0.57時減小到最小值1.41eV，然后又增大；升高熱處理溫度，可以改善薄膜的結晶程度，增加對光的吸收范圍，減小光學帶隙。

　　II-VI族化合物半導體以優(yōu)異的光電性能，在紅外探測器、核輻射探測器、紅外激光窗口、光電化學電池及光伏電池中得到廣泛的應用，是國內外研究較多的太陽能光電轉換材料。其中CdS、CdSe、CdTe和(Cd，Zn)S等鎘化合物均為直接帶隙半導體材料，是II-VI族化合物半導體中應用比較廣泛的光電子材料，CdSe在多硫體系中穩(wěn)定性優(yōu)于CdTe，因此在光電化學電池中是一種性能較理想的光電極材料，但是對于吸收太陽光能來說，CdSe的禁帶寬度并不是最適合的，限制了轉換效率的提高。因此，人們在調整CdSe的光學帶隙方面做了大量的工作。

　　近年來，大量的理論和實驗研究表明，可以將CdSe和CdTe合成三元化合物CdSexTe1-x，CdSexTe1-x在多硫體系中的穩(wěn)定性可以與CdSe相媲美，并且可以通過改變x值連續(xù)改變化合物的光學帶隙和晶格常數，使CdSexTe1-x的光學帶隙接近吸收太陽光光譜的最佳能隙1.45eV，有利于太陽能的轉換。

　　CdSexTe1-x薄膜的制備方法比較多，例如電子束蒸發(fā)、熱壁真空沉積、分子束外延、電沉積、化學合成法等，但這些方法大都需要復雜的設備，成本較高。我們采取了設備簡單，易于操作，成本低廉的真空蒸發(fā)技術，在玻璃襯底上制備了性能穩(wěn)定的CdSexTe1-x三元化合物薄膜，并對其結構、表面形貌、光電性能、元素組成進行了分析，還考慮了熱處理溫度對薄膜的影響，為CdSexTe1-x薄膜在光電子器件中的應用提供實驗依據。

1、實驗

　　1.1、薄膜的制備

　　采用真空蒸發(fā)技術制備CdSexTe1-x三元化合物薄膜，首先將高純CdTe和CdSe粉末按x=0、0.35、0.75、0.85、1等配比混合并放入瑪瑙研缽中進行充分研磨、粉化，然后置入蒸發(fā)源，再將清洗干凈烘干的玻璃襯底放入蒸發(fā)室，調節(jié)蒸發(fā)電流為65A。待蒸發(fā)室抽真空至8×10^-4 Pa以上時進行蒸發(fā)。實驗中襯底的溫度為130℃，襯底轉速為2r/min，實驗中用一臺石英膜厚監(jiān)控儀在線監(jiān)控蒸鍍厚度d=1.1μm。最后將制備好的薄膜樣品置于自動控溫擴散爐中，在N2氣氛中進行熱處理，處理溫度分別為300℃、350℃、400℃、450℃，處理時間為15min。

　　1.2、薄膜的性能測試

　　利用荷蘭Philip公司生產的PW1830/40型X射線衍射儀對樣品的晶體結構進行了測試，輻射源為CuKα線；利用日本日立公司生產的S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試樣品的表面形貌，并結合EDX對樣品的元素組成進行分析；利用英國ULVAC-PHI.INC生產的KratosAmicus型X射線光電子能譜儀對刻蝕10s后的薄膜化學成分進行分析；利用美國PerkinElmer公司生產的Lambda750s紫外-可見分光光度計對薄膜的光學透過率進行了測試。