真空蒸發(fā)制備CdSexTe1-x薄膜及其性能研究

2013-12-25 劉永生內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(jì)對薄膜的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌、元素組成以及光學(xué)性能進(jìn)行了測試，分析了x值和熱處理對薄膜的影響。測結(jié)果表明，薄膜均為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CdSexTe1-x三元化合物，沿(111)晶面擇優(yōu)生長，晶格常數(shù)與x呈線性遞減關(guān)系；隨x值增加薄膜的光學(xué)帶隙逐漸減小，x=0.57時(shí)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(jié)晶程度，增加對光的吸收范圍，減小光學(xué)帶隙。

　　II-VI族化合物半導(dǎo)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(xué)電池及光伏電池中得到廣泛的應(yīng)用，是國內(nèi)外研究較多的太陽能光電轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料，是II-VI族化合物半導(dǎo)體中應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)換效率的提高。因此，人們在調(diào)整CdSe的光學(xué)帶隙方面做了大量的工作。

　　近年來，大量的理論和實(shí)驗(yàn)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(xué)帶隙和晶格常數(shù)，使CdSexTe1-x的光學(xué)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(zhuǎn)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(xué)合成法等，但這些方法大都需要復(fù)雜的設(shè)備，成本較高。我們采取了設(shè)備簡單，易于操作，成本低廉的真空蒸發(fā)技術(shù)，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(jié)構(gòu)、表面形貌、光電性能、元素組成進(jìn)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(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、薄膜的制備

　　采用真空蒸發(fā)技術(shù)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(jìn)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(diào)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(shí)進(jìn)行蒸發(fā)。實(shí)驗(yàn)中襯底的溫度為130℃，襯底轉(zhuǎn)速為2r/min，實(shí)驗(yàn)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?cái)U(kuò)散爐中，在N2氣氛中進(jìn)行熱處理，處理溫度分別為300℃、350℃、400℃、450℃，處理時(shí)間為15min。

　　1.2、薄膜的性能測試

　　利用荷蘭Philip公司生產(chǎn)的PW1830/40型X射線衍射儀對樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，輻射源為CuKα線；利用日本日立公司生產(chǎn)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(jié)合EDX對樣品的元素組成進(jìn)行分析；利用英國ULVAC-PHI.INC生產(chǎn)的KratosAmicus型X射線光電子能譜儀對刻蝕10s后的薄膜化學(xué)成分進(jìn)行分析；利用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Lambda750s紫外-可見分光光度計(jì)對薄膜的光學(xué)透過率進(jìn)行了測試。