红荧烯晶体薄膜的制备及应用研究进展

红荧烯具有导电性好、吸收系数高等优良的荧光特性和半导体特性,是目前报道的单晶迁移率最高的材料,在有机光电器件中有很好的发展前景,受到科研人员的广泛关注。目前国内外主要采用真空蒸镀方法和溶液加工方法制备红荧烯晶体薄膜,采用各种制备工艺来提高红荧烯薄膜质量。本文在系统介绍红荧烯晶体薄膜制备工艺研究进展的基础上,归纳总结了掺杂种类/聚合物浓度、后处理工艺/实验温度等对红荧烯晶体性能的影响,简要概述了红荧烯薄膜在有机光电子器件应用研究中所取得的研究成果,最后展望了基于红荧烯晶体薄膜的光电器件的发展趋势。     

红荧烯薄膜生长及稳定性的研究

利用原子力显微镜研究了二氧化硅衬底上红荧烯薄膜的生长及稳定性。在较低沉积速率下,较低衬底温度时,红荧烯分子有充足的扩散时间,利于薄膜的横向生长,形成连续性、均匀性较好的薄膜。快速蒸镀及较高衬底温度使红荧烯薄膜转变为纵向生长模式,形成团粒状岛。横向生长的红荧烯薄膜在退火和空气中表现为亚稳特性,随着退火温度的升高和空气中放置时间的延长,红荧烯分子会自发地进行质量传输,发生纵向转移,转变为团粒状岛。获得了二氧化硅界面上红荧烯薄膜的生长及亚稳定机制模型。研究结果证明红荧烯分子与二氧化硅界面之间的作用力小于红荧烯分子间的作用力。     

衬底温度对Rubrene∶MoO3混合薄膜性质的影响

采用物理气相沉积方法制备了质量比为2∶1的Rubrene∶MoO3混合薄膜,研究了混合薄膜的光学性质和电学性质.结果表明:随着衬底温度的升高,混合薄膜的光学带隙变窄,说明MoO3诱导Rubrene产生中间能级,形成电荷转移复合物.随着衬底温度的升高,混合薄膜与金属电极形成欧姆接触,增强了混合薄膜的导电性.     

溶液法制备PVP为界面修饰层的红荧烯结晶性薄膜

为了获得低成本、高结晶度的红荧烯薄膜,采用溶液加工的方法和聚合物界面修饰层研究了红荧烯薄膜的性质。首先,通过旋涂方法在Si/SiO₂衬底上先沉积一层聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为界面修饰层,利用偏光显微镜（POM）、原子力显微镜（AFM）研究了PVP层表面形貌及粗糙度。接着在PVP上滴涂红荧烯溶液后固化烘干,制备红荧烯晶体薄膜,研究了不同PVP浓度和不同成膜温度下界面修饰层对红荧烯表面形貌的影响。然后,利用X射线衍射（XRD）表征对比研究了薄膜的微观结构。最后,分析了红荧烯晶体薄膜的生长机制。实验结果表明：80~140℃及低浓度的PVP条件下能得到结晶度高、连续的红荧烯球晶,并且温度升高时,球晶尺寸变大。PVP作为界面修饰层有利于改善红荧烯的成膜性,制备高结晶度的晶体薄膜。     

连续离子层吸附反应沉积后硫化法制备柔性铜锌锡硫薄膜太阳电池

在柔性钼箔衬底上采用连续离子层吸附反应法(successive ionic layer absorption and reaction)制备ZnS/Cu2SnSx叠层结构的预制层薄膜,预制层薄膜在蒸发硫气氛、550 C温度条件下进行退火得到Cu2ZnSnS4吸收层.分别采用EDS,XRD,Raman,SEM表征吸收层薄膜的成分、物相和表面形貌.结果表明,退火后薄膜结晶质量良好,表面形貌致密.用在普通钠钙玻璃上采用相同工艺制备的CZTS薄膜表征薄膜的光学和电学性能,表明退火后薄膜带隙宽度为1.49 eV,在可见光区光吸收系数大于104cm 1,载流子浓度与电阻率均满足薄膜太阳电池器件对吸收层的要求.用上述柔性衬底上的吸收层制备Mo foil/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ag结构的薄膜太阳电池得到2.42%的效率,是目前报道柔性CZTS太阳电池最高效率.     

衬底温度对电子束沉积ZnSe薄膜性能影响研究

为了研究衬底温度对硒化锌薄膜微观结构和光学特性的影响,采用电子束蒸发技术在K9玻璃基底上制备了单层的硒化锌薄膜。通过研究薄膜的X射线衍射谱、透射光谱特性、表面形貌及粗糙度,分析了不同衬底温度下薄膜微观晶体结构和光学特性的变化规律。实验结果表明:在20～200℃的衬底温度范围内制备的ZnSe薄膜均为具有(111)晶面择优取向的纳米晶薄膜,随着衬底温度升高,基片上原子获得的动能增加,导致薄膜的晶粒尺寸变大、内应力和位错密度降低;同样在不同衬底温度下,薄膜的光学特性也不尽相同,随着衬底温度的升高,折射率和消光系数减小、光学带隙增加、薄膜的表面粗糙度降低。分析表明折射率下降是薄膜中空隙部分所占比例增加所致,而消光系数的下降是薄膜结晶度提高,内部缺陷减少造成的。     

由缺陷引起的Burstein-Moss和带隙收缩效应对CdIn2O4透明导电薄膜光带隙的影响

在Ar+O2气氛，采用射频反应溅射Cd In靶制备CdIn2O4（CIO）薄膜.通过对不同衬底 温度下制备和沉积后在氩气流中退火的薄膜进行透射、反射和Hall效应的测量和分析发现， 随着衬底温度的降低，载流子浓度呈上升趋势，而吸收边呈现先是“蓝移”然后“红移”的 现象.从理论上阐述了高浓度的点缺陷对CIO氧化物薄膜的能带产生的重要影响，这些影响主 要体现在带尾的形成，Burstein Moss(B M)漂移和带隙收缩.另外，衬底温度的变化将对 薄膜的迁移率有重要影响.对于CIO薄膜，由缺陷产生的空穴浓度将对薄膜的带隙收缩产生重 要影响并将直接影响到薄膜的光透性.由于存在吸收带尾，利用传统的“外推法”获得薄膜 的光带隙并不适合简并半导体，而应使用更为准确的“拟合法”. 关键词： 射频反应溅射 CdIn2O4透明导电薄膜 Burstein Moss漂移 带隙收缩 电学性 质 光学性质     

由缺陷引起的Burstein-Moss和带隙收缩效应对CdIn2O4透明导电薄膜光带隙的影响

在Ar+O2气氛,采用射频反应溅射Cd-In靶制备CdIn2O4(CIO)薄膜.通过对不同衬底温度下制备和沉积后在氩气流中退火的薄膜进行透射、反射和Hall效应的测量和分析发现,随着衬底温度的降低,载流子浓度呈上升趋势,而吸收边呈现先是"蓝移"然后"红移"的现象.从理论上阐述了高浓度的点缺陷对CIO氧化物薄膜的能带产生的重要影响,这些影响主要体现在带尾的形成,Burstein-Moss(B-M)漂移和带隙收缩.另外,衬底温度的变化将对薄膜的迁移率有重要影响.对于CIO薄膜,由缺陷产生的空穴浓度将对薄膜的带隙收缩产生重要影响并将直接影响到薄膜的光透性.由于存在吸收带尾,利用传统的"外推法"获得薄膜的光带隙并不适合简并半导体,而应使用更为准确的"拟合法".     

白宝石衬底上生长的MgxZn1-xO晶体薄膜的结构和光学性能

在白宝石 (sapphire)衬底上低温外延生长出了MgxZn1 -xO晶体薄膜 .x射线衍射 (XRD)及能量色散x射线 (EDX)分析表明 ,MgxZn1 -xO薄膜的晶体结构依赖于薄膜中Mg的组分x,随着Mg组分的增大 ,MgxZn1 -xO薄膜的结构从与ZnO晶体一致的六方结构转变为与MgO晶体一致的立方结构 .对MgxZn1 -xO薄膜的紫外透射光谱及紫外光致荧光谱 (UVPL)的分析表明 ,随着Mg组分的增大 ,光学吸收边产生明显的蓝移 ,表明MgxZn1 -xO晶体薄膜的带隙增大 ,且带隙连续可调 .吸收光谱和XRD测量显示 ,带隙高达 5 6 5eV的MgxZn1 -xO晶体薄膜与MgO之间的晶格失配仅为0 16 % .     

氢化纳米硅薄膜中氢的键合特征及其能带结构分析

对氢化纳米硅薄膜中氢的键合特征和薄膜能带结构之间的关系进行了研究.所用样品采用螺 旋波等离子体化学气相沉积技术制备，利用Raman散射、红外吸收和光学吸收技术对薄膜的 微观结构、氢的键合特征以及能带结构特性进行了分析.Raman结果显示不同衬底温度下所生 长薄膜的微观结构存在显著差异，从非晶硅到纳米晶硅转化的衬底温度阈值为200℃.薄膜中 氢的键合特征与薄膜的能带结构密切相关.氢化非晶硅薄膜具有较高的氢含量，因键合氢引 起的价带化学位移和低衬底温度决定的结构无序性，使薄膜呈现较大的光学带隙和带尾宽度 .升 关键词： 氢化纳米硅 螺旋波等离子体 能带结构     

电子回旋共振等离子体增强沉积氟化非晶碳薄膜的光学性质

用紫外可见光透射光谱(UV-VIS)并结合键结构的X射线光电子能谱(XPS)和红外谱(FTIR)分析,研究了电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积法制备的氟化非晶碳薄膜的光吸收和光学带隙性质.在微波功率为140—700W、源气体CHF₃∶C₆H₆比例为1∶1—10∶1条件下沉积的薄膜,光学带隙在1.76—2.85eV之间.薄膜中氟的引入对吸收边和光学带隙产生较大的影响,吸收边随氟含量的提高而增大,光学带隙则主要取决于CF键的含量,是由于强电负 关键词： 氟化非晶碳薄膜 光吸收与光学带隙 电子回旋共振等离子体     

PLD制备的Cu掺杂SnS薄膜的结构和光学特性

利用脉冲激光沉积(PLD)在玻璃衬底上制备了Cu掺杂SnS薄膜.靶材是由SnS和Cu₂S粉末混合压制而成(Cu和Sn的量比分别为0%、2.5%、5%、7.5%和10%).利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)、Keithley 4200-SCS半导体参数分析仪研究了Cu掺杂量对SnS薄膜的晶体结构、表面形貌、光学性质和电学性能的影响.结果表明:所制备的SnS薄膜样品沿(111)晶面择优取向生长, SnS :5%Cu薄膜的结晶质量最好且具有SnS特征拉曼峰.随着Cu掺杂量的增大, 平均颗粒尺寸逐渐增大.不同Cu掺杂量的薄膜在可见光范围内的吸收系数均为10⁵ cm^-1数 量级.SnS :5%Cu薄膜的禁带宽度E_g为2.23 eV, 光暗电导率比值为2.59.同时, 在玻璃衬底上制备了p-SnS :Cu/n-ZnS 异质结器件, 器件在暗态及光照的条件下均有良好的整流特性, 并具有较弱的光伏特性.     

CuO薄膜的制备及其光伏特性

通过反应磁控溅射在n型硅和玻璃衬底上制备了p型CuO薄膜.使用X射线衍射仪和紫外-可见光-近红外光度计研究了p型CuO薄膜的结构和光学特性,得出其平均晶粒尺寸和光学带隙分别为8 nm和1.36 eV.通过研究其电压-电流关系确定了在p型CuO薄膜和n型硅衬底之间形成了p-n结.在AM 1.5光照条件下p-CuO/n-Si电池的开路电压为0.33 V,短路电流密度为6.27 mA/cm², 填充因数和能量转化效率分别为0.2和0.41%.     

CuO薄膜的制备及其光伏特性

通过反应磁控溅射在n型硅和玻璃衬底上制备了p型CuO薄膜.使用X射线衍射仪和紫外-可见光-近红外光度计研究了p型CuO薄膜的结构和光学特性,得出其平均晶粒尺寸和光学带隙分别为8nm和1.36eV.通过研究其电压-电流关系确定了在p型CuO薄膜和n型硅衬底之间形成了p-n结.在AM 1.5光照条件下p-CuO/n-Si电池的开路电压为0.33V,短路电流密度为6.27mA/cm2,填充因数和能量转化效率分别为0.2和0.41%.     

用模拟退火算法研究非晶硅薄膜的光学性质

在玻璃衬底上采用等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)法制备了非晶硅薄膜(A-Si:H)。用紫外-可见-近红外分光光度计测出了其透射光谱。采用模拟退火算法研究了透射光谱,得出了薄膜的厚度、折射率和吸收系数随波长变化的关系式、光学带隙等光学常数,并对该方法的优缺点进行了讨论。     

射频磁控溅射法制备SnS_2薄膜结构和光学特性的研究

采用射频磁控溅射法溅射SnS_2靶,在玻璃基片上以不同射频功率和氩气压强制备一系列薄膜样品,研究了不同工艺条件对薄膜特性的影响。利用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对薄膜样品的晶体结构和物相进行表征分析。利用X射线能量色散谱(EDS)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)对SnS_2薄膜的化学组分、光学特性等进行测试,计算或分析了SnS_2薄膜样品的组分原子比、光学常数和光学带隙。结果表明:制备SnS_2薄膜的最佳工艺条件为射频功率60 W、氩气压强0.5 Pa。在该条件下,所制备的SnS_2薄膜沿(001)晶面择优取向生长,可见光透过率和折射率较高,消光系数较小,直接带隙为2.81 e V。在此基础上,进一步制备了n-SnS_2/p-Si异质结器件。器件具有良好的整流特性及弱光伏特性,反向光电流随光照强度的增加而增大。器件的光电导机制是由SnS_2禁带中陷阱中心的指数分布所控制。     

电子束蒸发沉积CdS掺Cl~-薄膜及其性能研究

以CdS、CdCl2混合物为薄膜材料运用电子束蒸发法,制备了不同比例的CdS掺Cl-薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、四探针测试仪和紫外可见光光谱仪,对所制备薄膜的结构、光学及光电导性能进行了测试。结果表明:采用此方法制备的CdS薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有垂直于基底c轴的(002)晶面优势取向。Cl-掺杂摩尔分数为0.1%时可提高薄膜的结晶性且掺杂浓度变化对光能隙的影响很小,仅变化0.07eV;其中亮方块电阻最小值为100Ω/□,光敏性达到了2.9×105。说明经过Cl-的掺杂处理可以明显改善CdS薄膜结晶质量和光学及光电导性能。     

衬底温度对HfO_2薄膜结构和光学性能的影响

采用直流磁控反应溅射法,分别在室温,200,300,400和500℃下制备了HfO2薄膜。利用X射线衍射(XRD)、椭圆偏振光谱(SE)和紫外可见光谱(UVvis)研究了衬底温度对HfO2薄膜的晶体结构和光学性能的影响。XRD研究结果显示:不同衬底温度下制备的HfO2薄膜均为单斜多晶结构;随衬底温度的升高,(-111)面择优生长更加明显,薄膜中晶粒尺寸增大。SE和UVvis研究结果表明:随衬底温度升高,薄膜折射率增加,光学带隙变小;制备的HfO2薄膜在250～850nm范围内有良好的透过性能,透过率在80%以上。     

溶液pH值对化学浴法制备的Cd_xZn_(1-x)S薄膜光电性能的影响

采用氯化镉、氯化锌、硫脲、柠檬酸钠和氨水的溶液体系通过化学浴沉积法合成Cd_xZn_(1-x)S薄膜,利用X射线衍射分析、扫描电子显微镜、能谱仪和紫外可见近红外分光光度计等表征手段研究了Cd_xZn_(1-x)S薄膜的形貌、相结构和光学性能,测试了薄膜的光电流响应曲线并对薄膜的光电性能进行了分析.结果表明:在pH值为10至13范围内成功制备了均匀的Cd_xZn_(1-x)S薄膜;随着pH值升高,薄膜中Zn原子比例与光学带隙减小;制备的薄膜均表现出明显的光电导现象.pH值为11和12时薄膜的表面最为平整致密,结晶性最好,光学带隙分别为2.92eV和2.72eV,光暗电导比均为1.20,光源关闭后电流下降过程最快,10s后电流分别下降了约68.55%和69.39%.     

层间电荷转移增强二硫化铼/石墨烯异质结薄膜的反饱和吸收特性

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一.本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征.采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数.结果 表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44％和27％.本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础.