CuCr1-xMgxO2(x=0-0.075)薄膜光电性能研究

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CuCrO2是具有铜铁矿结构的透明导电氧化物,它具有宽的禁带宽度,同时又可以根据能带修饰理论来改造薄膜的能带结构,提高薄膜的电学性质,在铜铁矿材料中是继CuAlO2的又一个研究热点。目前CuCr1-xMgxO2薄膜的电导率在铜铁矿材料薄膜中最高为220S/cm。对CuCrO2薄膜的研究还处于初级阶段,研究影响CuCrO2薄膜的电学和光学性质的因素对实现人工调控CuCrO2薄膜的光电学性能有着重要的意义。本文采用脉冲激光沉积方法制备薄膜,通过控制生长条件保证Mg掺杂不降低薄膜的可见光透过率的前提下提高薄膜的电学性质。重点是研究Mg掺杂对薄膜能级结构的影响,进而了解Mg掺杂如何影响薄膜的光学性质和电学性质。本文以Cu2O、Cr2O3和MgO为原料,利用高温固相反应法制备薄膜的多晶陶瓷靶材。通过XRD表征陶瓷靶材,得到所有CuCr1-xMgxO2陶瓷靶材XRD图谱未出现杂质相,且随着掺杂量的增加衍射峰向低角方向移动,晶格常数变大符合理论预期。通过脉冲激光沉积法制备CuCr1-xMgxO2(Mg=0-0.075)薄膜,利用控制变量法设计实验,通过XRD、SEM、I-V曲线和可见光光谱测试确定了薄膜的最佳生长条件为700oC、激光能量200mJ、激光频率3Hz氧分压4.5Pa。通过XRD测试表征薄膜的物相,确定掺杂薄膜为3R型CuCrO2结构,且没有杂质物相出现。并且薄膜沿(003)晶面取向生长,出现(003)、(006)、(009)、(0012)一系列衍射峰。SEM表征薄膜的表面形貌,薄膜表面的晶粒尺寸约为50nm,随着掺杂量的增加晶粒尺寸逐渐减小。CuCr1-xMgxO2薄膜的可见光平均透过率在70-85%之间,Mg掺杂对可见光透过率影响不大。利用吸收系数与光子能量的关系计算薄膜的禁带宽度Eg,Eg随着掺杂量x的增加而减小,最大禁带宽度为2.8eV比掺杂薄膜的禁带宽度大0.55eV。并计算了CuCr1-xMgxO2的间接吸收系数,可以得到间接跃迁的能级信息。Mg掺杂通过改变铜铁矿结构的共面氧八面体的结构影响CuCrO2原子间的杂化程度,改变了薄膜的禁带宽度。利用常规四探针方法测试薄膜的I-V曲线,并通过边缘和厚度修正计算薄膜的电导率。Mg掺杂可以提高薄膜的电导率,当掺杂量为0.075时薄膜的电导率最高可达几S/cm量级,是未掺杂CuCrO2薄膜的电导率的1000倍。薄膜的电导率随着Mg的掺杂量x的增加而增加。利用变温电导测试得到薄膜的热激活能,确定Mg能够引入新能级,热激活能大小为0.3eV左右。
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