基于温和等离子体CVD的非晶硅薄膜的制备与钝化研究

采用容性放电模式(E-mode)的电感耦合等离子体化学气相沉积技术(ICPCVD),以硅烷( SiH4)和氢气(H2)作为气源,通过改变沉积气压来制备氢化非晶硅薄膜(a-Si:H).采用少子寿命测试仪(Sinton WCT-120)研究薄膜在n型单晶硅片表面的钝化效果.并通过傅里叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)进一步表征薄膜的氢含量、微结构因子和表面形貌.结果表明,气压偏低或者偏高都会影响薄膜质量,生成多孔隙的薄膜,从而影响薄膜的钝化性能.最优沉积气压为65 Pa,并进一步优化少子寿命到445 μs,复合速度减小到48 cm/s,隐开路电压接近700 mV.     

基于氢等离子体处理改善氢化非晶硅/晶体硅界面钝化效果的工艺研究

薄层a-Si∶H钝化技术对于提高硅异质结太阳能电池的效率至关重要,通常有三类工艺可显著改善a-Si∶H薄膜的钝化效果:晶硅表面湿化学处理(薄膜沉积前);氢等离子体处理(薄膜沉积过程中);后退火处理(薄膜沉积后).该论文基于等离子增强型化学气相沉积系统,采用氢等离子处理和后退火处理改善a-Si∶ H/c-Si界面的钝化效果,样品的有效少数载流子寿命最高达到1 ms,并研究了射频功率密度、腔体压力、氢气流量等工艺参数对钝化效果的影响;采用光发射谱、台阶仪等对氢等离子体处理所涉及的物理过程进行研究,得出该工艺对a-Si∶H薄膜具有刻蚀作用;根据钝化效果和刻蚀速率的关系,得出低刻蚀速率由于给予薄膜充足的时间进行结构弛豫或重构,显著改善钝化效果;基于快速热退火方法进一步改善钝化效果,采用傅里叶变换红外光谱对a-Si∶H薄膜的钝化机理进行研究,并基于化学退火模型进行讨论;采用透射电镜研究了a-Si∶ H/c-Si界面的微结构,并没有观测到影响钝化效果的外延生长.     

Si(100)表面S钝化效果与稳定性研究

基于Valence-Mending概念对Si(100)表面进行S钝化研究.对于Ni/n-Si肖特基接触,S钝化使其肖特基势垒高度向其理想势垒高度靠近了0.09 eV;对于Al/p-Si肖特基接触,S钝化使其肖特基势垒高度向其理想势垒高度靠近了0.08 eV.少子寿命测试结果表明S钝化使Si(100)表面少子寿命提高大约1个数量级;热稳定性实验结果表明560℃时S钝化效果退化;XPS测试结果表明S离子化学吸附在Si表面并形成Si-S键,样品在空气中放置一段时间后表面Si-S键被氧化,表明S钝化抗氧化性不强.     

衬底温度对nc-Si∶H薄膜微结构和氢键合特征的影响

采用射频等离子体增强型化学气相沉积(RF-PECVD)技术,以H2和SiH4作为反应气体源,在不同的衬底温度下沉积了nc-Si∶H薄膜.采用Raman散射、X射线衍射、红外吸收等技术分析了薄膜的微结构和氢键合特征.结果表明,随衬底温度的升高,nc-Si∶H薄膜的沉积速率不断增大,晶化率和晶粒尺寸增加,纳米硅颗粒呈现出Si(111)晶面的择优生长趋势.键合特性显示,薄膜中的氢含量随衬底温度升高而逐渐减小,薄膜均匀性先增大后减小.     

衬底温度对氢化非晶硅薄膜特性的影响

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)系统,以乙硅烷和氢气为气源,石英玻璃和单晶硅片为衬底制备了氢化非晶硅(a-Si∶ H)薄膜.采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、台阶仪、紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪和电子能谱仪等分别表征了a-Si∶H薄膜的表面形貌、结晶特性、沉积速率,光学带隙,键合结构和Si化合态等特性.结果表明:随着衬底温度的增加,a-Si∶H薄膜表面的颗粒尺寸减小,均匀性增加,沉积速率则逐渐降低;衬底温度从80℃增加到130℃时,光学带隙显著增加,而在130℃至230℃范围内,光学带隙基本不随衬底温度变化;以SiH键对应的伸缩振动的相对峰强度逐渐增加,而以SiH2或(SiH2)n键对应的伸缩振动的相对强度逐渐减小;a-Si∶H薄膜中Si0+态的相对含量增加.因此,衬底温度大于130℃有利于制备优质a-Si∶H薄膜,230℃是沉积a-Si∶H薄膜的最佳衬底温度.     

基于沉积温度优化和后退火工艺改善a-Si∶H/c-Si界面钝化质量的研究

a-Si∶H薄膜作为钝化层,在提高硅异质结太阳能电池效率方面发挥关键作用,工业化生产中通常采用PECVD法制备制备a-Si∶H薄膜.在本文中,首先对关键工艺参数如沉积温度进行了优化,并在160℃下获得了最佳的钝化效果.接着,通过傅里叶变换红外光谱法对a-Si∶H薄膜的微结构进行表征,以探索其钝化机理:低温下制备的a-Si∶H薄膜氢浓度高并有微空洞,从而影响钝化效果;高温下制备的a-Si∶H薄膜消除了微空洞而明显改善钝化质量.但是,过高的沉积温度又会导致a-Si∶H薄膜中微空位的产生从而影响钝化效果.此外,对比了两种典型后退火工艺对钝化效果的影响:一种是基于200℃退火10 min,一种是基于450℃退火30 s,并对相关钝化机理进行了研究.结果表明,第二种退火方式明显改善样品的钝化效果,主要原因是该退火消除了低温沉积样品中的微空洞和高温沉积样品中的微空位.最后,通过透射电镜研究了退火后的a-Si∶ H/c-Si界面微结构,并未观察到影响钝化效果的外延生长.     

氢流量对富硅-氮化硅薄膜键结构及光学性质的影响

采用等离子体增强化学气相沉积法,以SiH4、NH3和H2为反应气体,通过改变氢流量来制备富硅-氮化硅薄膜.利用傅里叶变换红外吸收光谱、紫外-可见光透射光谱、X射线衍射谱和光致发光谱对薄膜的结构与性质进行表征.实验发现,适当地增加H2流量,可以提高反应过程中H离子与Si、N悬挂键的键合几率,从而起到钝化薄膜悬键的作用.当H2流量从10 sccm变化到20 sccm时,H主要起到钝化薄膜悬挂键作用,因而缺陷态减少,缺陷态发光减弱,薄膜的光学带隙缓慢展宽.继续增加H2流量,薄膜中的氮原子持续增加,伴随着缺陷态再次增多,辐射加强,并导致光学带隙迅速展宽.当H2流量达到30 sccm时,薄膜中的氮化硅晶粒增大,数目增多,缺陷态发光消失,出现了氮化硅中由非晶硅量子点团簇引起的发光现象,说明薄膜中出现了非晶硅量子点团簇.因此,适量的增加氢流量能够对薄膜起到钝化的作用,并实现从富硅-氮化硅向Si3N4相转变的过程中形成氮化硅基质包埋的非晶硅量子点团簇结构.     

Direct-PECVD a-SiOx:H/a-SiNx:H 叠层系统对多晶硅电池的钝化研究

本文中应用全部PECVD工艺沉积a-SiOx:H、a-SiNx:H,和a-SiOx:H/a-SiNx:H叠层系统,比较了不同钝化膜对多晶硅太阳能电池发射极和背面钝化效果,应用FGA、RTP等热处理方法对钝化膜进行处理,重点讨论了FGA(Forming gas annealing)温度和时间的长短对钝化的影响.结果表明:低温FGA对只有单面钝化膜的硅片钝化效果不明显,而在800 ℃下FGA有明显作用,而且钝化效果随着时间的增加呈现出先增大后减小然后再增大的现象;退火后降温环境中是否有H和降温时间对钝化效果有很大的影响,但是对于双面膜无论FGA温度高低对钝化都有帮助,文中对上述现象做了合理的解释.最后利用双面叠层钝化膜经过FGA处理后得到的多晶硅片的少子寿命达到14.2 μs,比镀膜之前的3.0 μs提高了11.2 μs,使多晶硅太阳能电池暗电压 Voc达到630 mV.     

氢氦共同稀释对微晶硅锗薄膜结构特性的影响

采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,在200℃的衬底温度下,以SiH4和GeH4为反应气体,H2和He为稀释气体,制备微晶硅锗(μc-Si Gex∶H)薄膜.结合Raman,XRF,FTIR,AFM等测试,我们分析了不同流量He的掺入对高锗含量(Ge含量～40;)μc-Si1-x Gex∶H薄膜结构性能和光电特性的影响.结果表明,随着He稀释/H2稀释(CHe/H2=He/H2)的增加,薄膜的Ge含量基本保持不变,H含量减少,致密度提高,Ge悬挂键和微结构因子先减少后增大.CHe/H2=36;时,薄膜光电特性最好.     

射频功率对Si薄膜微观结构及电学性能的影响

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备了不同射频功率的Si薄膜,并对其进行真空退火处理.研究了射频功率和退火处理对薄膜微观结构和电学性能的影响,并总结了不同电场环境对薄膜原子排列有序度的影响规律.结果表明:随射频功率的增加,Si薄膜的非晶结构无实质改变,但其少子寿命明显增强;经800℃真空退火处理后,Si薄膜的微观结构均由非晶态转变为晶态,晶化程度达60;以上,且少子寿命达到20 μs以上.     

Si基外延GaN中缺陷的腐蚀研究

本文采用KOH:H2O=3:20～1:25(质量比)的KOH溶液,对Si基外延GaN进行湿法腐蚀.腐蚀后用扫描电子显微镜(SEM)观察,GaN面出现了六角腐蚀坑,它是外延层中的位错露头,密度约108/cm2.腐蚀坑的密度随腐蚀时间延长而增加,说明GaN外延生长过程中位错密度是逐渐降低的,部分位错因相互作用而终止于GaN体内.观察缺陷腐蚀形貌还发现,接近裂纹处腐蚀坑的密度要高于远离裂纹处腐蚀坑的密度,围绕裂纹有许多由裂纹引起的位错.腐蚀坑的密度可以很好地反映GaN晶体的质量.晶体质量较差的GaN片,腐蚀后其六角腐蚀坑的密度高.     

PZT基反铁电材料研究进展

在综述Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基反铁电材料的研制与性能研究进展的基础上,重点探讨了PZT95/5反铁电材料和在PZT基础上掺杂改性的Pb(Zr,Sn,Ti)O3(PZST),(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3 (PLZST)反铁电材料.总结了利用La3+、Nb4+、Hf4+、Sr2+、Ba2+和Nd3+等离子对富锆PZT以及PZST粉体、陶瓷以及薄膜材料的掺杂取代改性研究.讨论了各类PZT基反铁电材料的铁电(FE)-反铁电(AFE)相变机理以及其场致应变性能.展望了PZT基反铁电材料今后研究与应用的发展方向.     

金刚石表面化学镀铜的研究

为了改善金刚石与金属基体的润湿性,利用化学镀的方法在金刚石粉体表面成功的进行了镀铜,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试手段研究了pH值及添加剂对镀层的组织、形貌及镀速的影响.结果表明:当镀液的pH值低于10.5时,镀速几乎为零,没有反应发生;pH值在10.5～12.5时,镀速随pH值的增大而增大,XRD图谱中开始有铜的衍射峰出现,且衍射峰随pH值的增大而增强;pH值大于12.5时,镀速开始随pH值增大而下降,衍射峰开始随pH值增大而减弱.当pH值为11时,金刚石基体有裸漏现象,镀层较薄;pH值为12时,镀层表面较为致密、结合较好、有一定厚度且包覆严实;pH值为13时,镀层开始变得粗糙,有卷边、起皮及脱落现象.当向镀液中分别添加适量的亚铁氰化钾及二联吡啶时,能够提高镀液的稳定性,两种添加剂对铜的化学沉积都有阻化作用,降低铜的沉积速率,使镀层光亮致密.     

缺陷双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

采用基于密度泛函的色散修正方法研究了Li、Na、K、Rb吸附在单空位缺陷(SV)双层石墨烯(BLG)表面的体系,对吸附体系的晶体结构、吸附能、电荷转移、扩散行为和电子结构进行了计算和分析.结果表明,碱金属原子更容易吸附在缺陷区域空位上方;使BLG平均层间距减少了0.0100～0.0137 nm;吸附体系的Bader电荷、电荷密度差分和电子结构的计算结果表明,碱金属原子与BLG之间结合属于离子键.通过计算扩散能垒发现,脱离缺陷所需激活能比朝向缺陷扩散的能垒大0.300～0.640 eV,表明SV缺陷能够捕获Li、Na、K、Rb原子.     

基于电沉积技术的纳米晶材料晶粒细化工艺研究

纳米晶材料电沉积工艺是在传统电沉积工艺的基础上,通过控制适当的工艺条件,最终获得具有各种性能的纳米晶电沉积层的过程.研究表明,由电沉积工艺制备的纳米晶材料,晶粒细小且组织均匀,具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化等特殊性能.本文分析了在电沉积过程中纳米晶形成的机理,探讨了工艺参数、复合电沉积和脉冲电沉积、有机添加剂以及采用其它工艺措施对晶粒细化过程的影响.介绍了电沉积纳米晶材料的各种性能及应用.     

粒子束注入单晶硅尺寸效应的机理研究

使用分子动力学方法研究硅粒子注入技术.系统比较分析了团簇粒子的包含反射,扩散和植入基底在内的全部运动过程,同时使用可视化方法观测记录基底表面形貌演化过程.所建立模型直观地显示了低注入能量域内的新特征.注入过程中,团簇粒子由不同粒径(数量)的硅原子组成.通过对粒径变化在注入过程的影响研究揭示了注入技术机理.仿真结果表明提出方法可用于定量预测注入粒子表面分布.本文工作可作为原子尺度下生成基底表面特征或设计图案的参考,并对可控表面沉积技术提供理论指导.     

抛光铜箔衬底上石墨烯可控生长的研究

本文报导以固态聚苯乙烯为碳源,经机械抛光和电化学抛光双重处理的铜箔为衬底,用CVID法进行石墨烯可控生长的研究结果.用光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、光透射谱、扫描隧道显微镜和场发射扫描电镜对生长的石墨烯进行了表征.研究发现经过抛光处理的铜箔由于其平整的表面和很低的表面粗糙度,在其上生长的石墨烯缺陷少,结晶质量高.而未经抛光处理的铜箔在石墨烯生长过程中,铜箔不平整的表面台阶会破坏其上生长的石墨烯的微观结构,在生长的石墨烯二维结构中产生高密度晶界和缺陷.还在双重抛光处理的铜箔上实现了石墨烯的层数可控生长,结果表明固态碳源聚苯乙烯的量为15 mg时可生长出单层石墨烯,通过控制固态源重量得到了1～5层大面积石墨烯.     

掺杂方式对纳米二氧化钛性能的影响研究

对近年来掺杂改性纳米二氧化钛的研究进行了综述,并且详细论述了金属离子掺杂、非金属离子掺杂以及双元素掺杂这三类掺杂方式对纳米二氧化钛的结构相变,光催化性能等方面的影响。     

铜负载湿式氧化催化剂焙烧条件的研究

Cu-O/FSC是一种优化制备的负载型催化剂,实验中以其催化湿式氧化处理模拟印染废水,考察焙烧条件对催化剂的影响.以水样COD去除率和脱色率评价催化剂的活性、以处理出水Cu溶出浓度评价催化剂的稳定性,通过AA、XRD、SEM等研究了焙烧温度和时间对催化剂性能、物相及形貌等的影响.结果表明:随着焙烧温度的提高和焙烧时间的延长,催化剂活性降低、稳定性提高;催化剂的比表面和孔容随着焙烧温度的提高而减少;适宜的催化剂焙烧温度和时间分别为650 ℃和5 h.     

基于声光效应的可调谐光子晶体的研究

利用传输矩阵法研究了一维异质双周期光子晶体的光子带隙随超声波变化的特性.首先,光子晶体的介电常数随超声波的传播出现周期性变化;然后,光波入射到此光子晶体时产生声光效应,采用Matlab软件模拟仿真并分析了该结构光子晶体的光子禁带的位置、宽度与超声波强度及频率的关系.结果表明:光子晶体禁带的位置、宽度可以通过控制超声波的强度和频率实现实时调制.这个结果为基于声光效应的可调谐光子晶体器件的研究提供了理论依据.