第23卷 第5期2005年10月
江 西 科 学
JI A NGX I SC I ENCE
Vo. l 23N o . 5
O c, t 2005
文章编号:1001-3679(2005) 05-0691-04
二硫化铁光电薄膜制备技术的研究进展
钟南保, 程树英, 郑明学, 黄赐昌
(福州大学电子科学与应用物理系, 福建福州 350002)
摘要:黄铁矿结构的二硫化铁(FeS 2) 是一种具有合适的禁带宽度(Eg 0. 95eV ) 和较高光吸收系数(当 700n m 时, =5 105c m -1) 的半导体材料, 而且其组成元素在地球上储量丰富、无毒, 有很好的环境相容性。因此, F eS 2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景, 受到人们的广泛关注。本文从不同制备方法所制备出的二硫化铁薄膜的研究结果, 来分析二硫化铁薄膜的研究状况。关键词:二硫化铁薄膜; 制备方法; 光电性能中图分类号:TK511 文献标识码:A
The R esearch Progress of Prepari ng Pyrite Photoelectric Thi n F il m s
ZHONG Nan bao , CHENG Shu y i n g , Z H E NG M ing xue , HUANG C i chang
(D epart m ent o f E lectron ic Sc i ence and A pp lied Phys i cs , F uz hou U n i versity , Fu jian F uz hou 350002PRC)
Abst ract :Pyrite of FeS 2is a se m iconducto r w ith a su itab le energy band gap (Eg 0. 95e V ) and a very h i g h optica l absor p ti o n coeffic ient ( 5 10c m when 700n m ). And pyrite w hich is
co m posed o f very abundant and non tox ic ele m ents is a su itab le m aterial for the env iron m en. t There fo re , pyrite is receiv i n g g r ow ing attention because o f its pro m i s ing potential for applications as an op toe lectron ic and pho tovo lta ic m aterials . In this paper , the research progress o f pyrite thin fil m s has been rev ie w ed fro m the research resu lts of the fil m s prepared by vari o us m ethods . K ey w ords :Pyrite t h i n fil m , Preparation m ethod , Optical and electrical properties
丰富, 环境兼容性较好, 性能稳定。因此, FeS 2非
常适合于作为太阳能电池的吸收层材料。作为太
[1]
5
-1
0 引言
立方晶系的FeS 2 黄铁矿的结构是类似于N a C l 晶体结构的AB 2型立方晶系化合物
,
Fe 原子在晶体中的位置就相当于Na 原子在NaC l 中的位置, 2个S 原子组成的原子团中心的位置就和C l 原子在NaC l 中的位置相对应。立方晶系的FeS 2有合适的禁带宽度(Eg=0. 95e V) 和很大的光吸收系数(当 700nm 时, 5 10c m
-1
5
阳能电池的吸收层材料, FeS 2可以以薄膜的形式
存在, 因而其材料消耗少, 成本较低。因为太阳能电池材料的厚度和吸收系数之间有如下的关系
[3]
:L=
4 (1-x) n
(1)
这里x 是光吸收分数, 是薄膜材料的吸收系数, n 是折射因子, L 是薄膜的厚度。从(1) 式可看出薄膜的厚度L 和光吸收系数 成反比, 比
)
[2]
; 其组成元素价格低廉, 在地球中的含量
收稿日期:2005-04-18; 修订日期:2005-06-18作者简介:钟南保(1974-), 男, 硕士研究生。
基金项目:福建省教育厅基金资助项目(J A 03009和J B04046) 。
692 江 西 科 学2005年第23卷
较不同材料的吸收系数就可以知道材料的消耗情况, 见表1。
表1 几种常见的太阳能电池材料的吸收系数
电池材料 /cm -1
FeS 2
CuInSe 2Ga A s
CdT e
-S i
c-S i
5 1053 1046 1035 1035 1033 101
晶系的FeS 2而没有正交晶系的白铁矿; 温度高于475 时, 薄膜多呈多晶形式, 但是显示出(111) 的择优取向; 温度在接近500 时能制得符合标准化学计量的FeS 2; 当温度高于500 , 硫蒸汽压力低得不能抑制分解反应时会出现Fe 1-x S 晶相, 晶粒的大小为1~10 m , 决定于衬底的取向、温度以及薄膜的生长速率; 温度高于550 时, 有
[7]
利于增大晶粒的大小。在此基础上J . O erte l 等用(Co (CO ) 3) NO 作为掺杂原子Co 的掺杂源进行掺杂制备了导电类型为n 型的FeS 2, 实验时分别控制硫源、铁源和Co 的掺杂源的温度、蒸汽压力。研究了在不同基底温度生长的薄膜的XRD 、Fe /Co的比值、热电常数、薄膜电阻、霍耳迁移率、载流子浓度等参数。当Co 在薄膜中数量的增加到0. 3%时, 薄膜的导电类型逐渐从p 型
20
转向n 型; 薄膜中载流子浓度很大(>10c m ); 热电常数很小(
[9]
N. Takahashi 等在常压下以Fe C l 3和C H 3CSNH 2作原材料采用MOCVD 法在玻璃衬底上制备S /Fe原子比值稍小于2的FeS 2薄膜。通过实验结果发现:500 是合适的实验温度, 所制得的薄膜是立方晶系、晶格常数为; 除FeS 2外, 没有其它晶相, 也没检测到薄膜中含有C 、N 、O 和C l 等元素, 而S /Fe比值比理想值稍小表明薄膜中有硫空位。当温度为525 和550 时, 发现薄膜中存在Fe 1-x S , 表明立方晶系的FeS 2在温度高于500 时会转化成Fe 1-x S 。这和B . Tho m as 等所得到的结论是一致的。通过对薄膜生长速率的研究可以知道温度明显影响薄膜的生长速率。在500 条件下, 薄膜的最大生长速率大约
-1
为8. 4 m h , 这个值比磁控溅射法当中薄膜的生长速率大, 但是和低压MOC VD 法中的薄膜的生长速率相当。实验还研究了载流子浓度、薄膜的电阻率、霍耳迁移率以及禁带宽度。1 4 喷雾法
A. Y a m a mo to 等将FeSO 4和(NH 4) 2S x 的水溶液作Fe 和S 的先驱, 用喷雾法在加热到120 的衬底上制得FeS 2薄膜。但是薄膜当中有其它物相, 如FeS, 白铁矿等。所以还得将所制得的薄膜在H 2S 气氛中硫化30m i n 。实验发现比较理想的硫化温度大约是500 , 此条件下硫化时[10][9]
[6]2-3[8]
从表1中可以看到, FeS 2材料的光吸收系数在这些常见的材料当中是最大的。因此在制作FeS 2薄膜太阳能电池时, 所需的FeS 2材料很少。
综上所述, FeS 2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景, 因而受到人们的广泛关注。
目前FeS 2薄膜的研究重心主要集中在如何制备出化学剂量比理想、性能好的薄膜。因为只有制备出好的薄膜材料, 才能制作出好的光电器件。因此, 本文着重阐述不同的制备方法所制备出的薄膜的质量和光电性能。
1 FeS 2薄膜的制备方法
从Sechra 等。首先制备二硫化铁薄膜到目前为止, 国内外已经有多种制备FeS 2薄膜太阳能电池材料的技术, 其中包括硫化铁膜法, 溶胶凝胶法, 电沉积法, MOC VD 法, 喷雾法等。1 1 直接蒸镀法
Sechra 等在A l 基片上直接热蒸镀FeS 2制取薄膜, 所制得的薄膜中有FeS 2晶相, 也有其它晶相。这是由于蒸镀过程中, FeS 2发生热分解, 使薄膜成分偏离标准化学配比很多, 导致薄膜的光电性能很差。不过为后来的磁控溅射法提供了思路。
1 2 硫化FeS 法
陈章其
[5][4]
[4]
等将FeS 和S 的粉末放入石英真空
管中, 使FeS 和S 的温度分别为650 和400 , 热化学反应130h 而合成淡黄色的多晶二硫化铁粉末, 实验表明S 在FeS 中的扩散系数很小, 导致实验时间很长, 不利于工业生产。为制得FeS 2薄膜和缩短实验时间, 应将FeS 制成薄膜形式再硫化。
1 3 MOC VD 法
B . Tho m as 用低压MOCVD 法在S 、i GaP 和ZnS 衬底上制备FeS 2薄膜。实验中用[(CH 3) 3C]2S 2和Fe(CO) 5分别作为所需的硫源 [6]
第5期 钟南保等:二硫化铁光电薄膜制备技术的研究进展
16
20
693
都为P 型; 载流子浓度为10~10
2
c m ; 霍尔迁
-3
的, 增加硫的数量对制备薄膜几乎没有影响。研究分析了薄膜的晶体结构对光电性质的影响。实验结果表明晶体颗粒对薄膜的电学性质起决定性影响; 晶粒的择优取向对晶体的结构和光电性质有重要影响。Long W ei 等用正电子湮没法研究了这一方法制备的薄膜中的缺陷。实验结果显示所制备的薄膜存在的缺陷主要是硫空位, 这和N aoyuk iTakahash i 等用喷雾法所得到的结论是一致的。当硫化温度从300 增加到400 时, 薄膜随着缺陷的减少有更好的结晶度, 继续增加硫化温度到高于400 时, 薄膜中会有毛刺, 使薄膜的性能更差。同时实验表明在硫化过程中在铁和硫的交界面处会形成一层薄的过渡层。L . M eng
[17, 18]
[10]
[16]
移率200~1c m /Vs ; 实验还发现:FeSO 4溶液的
浓度更低时有利于薄膜颗粒的生长和提高薄膜的电学性能。B . B essa i s
[11]
等将FeC l 3. 6H 2O 的水溶
液以雾状形式喷到加热到350 的玻璃衬底上, 获得的薄膜经过真空热处理后主要有两种物相, 绝大部分是Fe 2O 3, 一小部分是Fe OOH, 经进一步加热后转化成Fe 2O 3, 再将Fe 2O 3在450 下真空硫化6h 后就能获得结晶度很好的P 型FeS 2薄膜。
1 5 电沉积法
N aka m ura 等在FeSO 4和N a 2S 2O 3(Fe :S =1:2~100) 的水溶液中通过加入稀硫酸调整溶液的p H 值, 在钛基片上电沉积薄膜。电沉积时电流密度的大小为0. 35~0. 75mA /cm , 但是所制得的薄膜中S /Fe的值一般是1, 不能达到2; 而且基片的沉积电位、溶液的主离子浓度几乎不会影响薄膜的合成。因为在电沉积的过程中发生的反应是:
F e +S 2O 3+2e FeS+SO 3
最后将制得的薄膜在石英玻璃管中, 以N 2做载气, 通入硫蒸汽在500 下硫化20m in 制得FeS 2薄膜。
用电沉积法制备FeS 2薄膜文献报道较少。1 6 溶胶凝胶法
H. Duan
[12]
2+
2--2-2
[2]
等除了研究这一方法制备的薄膜的结
构演变之外, 还研究了薄膜的微晶形貌、成分和光吸收性质。硫化温度为400 时微细晶粒成核主要是铁的硫化物过渡形成, 而硫化温度为500 时, 微细晶粒的成核是直接有二硫化铁形成。500 制备的薄膜中硫的含量比400 时制备的更高, 并且薄膜的沉积速率更快。400 条件下通过延长硫化时间, 所制备的薄膜的光吸收峰增加到接近理想值, 比500 所制备的薄膜的吸收峰高。N. H a m dadou 等采用此法将铁膜在550 下硫化6h 而制得了FeS 2薄膜, 测试所制薄膜的晶格常数为, 晶粒有两种大小, 一种大约为150n m, 另一种大约为500nm, 所以薄膜的电导是在一定范围变化的。1 8 磁控溅射法
W ill e ke
[19]
[13]
等将FeSO 4. 7H 2O 和PVP 溶于蒸
馏水中加热至90 搅拌1h 后, 依次加入适量的
嘧啶和胶体、硫脲流体和硫反应制成二硫化铁粉末, 再将所制得的粉末由EPD 法制成薄膜。采用此法制备的薄膜导电类型为n 型; 薄膜晶粒大小约为1; 薄膜的禁带宽度接近0. 95e V 的理想值; 霍耳迁移率变化范围为429~32. 9c m /Vs ; 薄膜具有10
19
2
等用此方法在Leybo l d Z400溅射
系统中镀膜, 溅射靶FeS 2是由人工合成的纯度为
99. 9%的FeS 2粉末制成的, 但靶材中含有少量的FeS 相。为了保证镀膜成分能达到二硫化铁的化学计量比, 在反应室中加入一定量的S 蒸气。研究发现, 在低温下制备的薄膜中含有少量白铁矿型的FeS 2; 随着温度的升高, 只出现pyrite 相, 晶粒择优生长方向从(200) 晶面转变为(111) 晶面, 晶粒的平均尺寸为40n m, 为微晶结构, 薄膜为p
18-3
型简并态半导体。其空穴浓度为5 10c m , 电阻率为4
-1
c m 数量级的载流子浓度; 实验还表
-3
明:对二硫化铁薄膜进行退火处理能提高薄膜的
光电性能。1 7 硫化铁膜法
用这一方法能重复制得性能较好的二硫化铁
[13]
薄膜, 这和当时H a m dadou 等的看法是一致的。Dongyun W an
[14, 15]
等研究分析了硫蒸汽压力在硫c m , 霍耳迁移率为5c m /Vs 。
-12
化铁膜制备Fe S 2薄膜中的影响。根据实验结果和理论分析, 澄清了关于硫蒸汽压力在实验过程
当中所起作用的不一致的结论; 实验结果显示当硫蒸汽压力低于其饱和蒸汽压时, 薄膜的结晶度采用磁控溅射法制备的Fe S 2薄膜, 其附着力较高, 不易剥落, 但由于粒子能量较高, 会导致薄膜中点缺陷密度较高。另外, 在溅射的过程中, 要在真空室里通入一定的S 蒸气, 对真空室有一定的
694 江 西 科 学
199:1205-1210.
2005年第23卷
2 结论
二硫化铁薄膜由于其本身的优越性质而引起广泛的关注, 现在已经有多种制备二硫化铁薄膜的方法. 在上述的这些制备方法中, 铁膜硫化法是
能重复制备性能较佳的二硫化铁薄膜的方法之一。MOC VD 法也能制备性能较好的薄膜, 但是其制备设备较复杂, 过程也较难控制。各种方法所制备的薄膜的性能和理论值都有一定的差距。主要是因为:(1) 所制备的薄膜中存在一定的晶界、空位、间隙原子和位错等缺陷; (2) 在制备过程中工艺条件不好控制; (3) 所制备的薄膜很难纯净单一, 存在其它的物相。因此, 如何改进工艺来制备具有合适的化学计量比、均匀性好、附着力强、光电性能好的FeS 2薄膜, 仍然是有待人们去解决的一个问题。
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摘要:黄铁矿结构的二硫化铁(FeS 2) 是一种具有合适的禁带宽度(Eg 0. 95eV ) 和较高光吸收系数(当 700n m 时, =5 105c m -1) 的半导体材料, 而且其组成元素在地球上储量丰富、无毒, 有很好的环境相容性。因此, F eS 2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景, 受到人们的广泛关注。本文从不同制备方法所制备出的二硫化铁薄膜的研究结果, 来分析二硫化铁薄膜的研究状况。关键词:二硫化铁薄膜; 制备方法; 光电性能中图分类号:TK511 文献标识码:A
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丰富, 环境兼容性较好, 性能稳定。因此, FeS 2非
常适合于作为太阳能电池的吸收层材料。作为太
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0 引言
立方晶系的FeS 2 黄铁矿的结构是类似于N a C l 晶体结构的AB 2型立方晶系化合物
,
Fe 原子在晶体中的位置就相当于Na 原子在NaC l 中的位置, 2个S 原子组成的原子团中心的位置就和C l 原子在NaC l 中的位置相对应。立方晶系的FeS 2有合适的禁带宽度(Eg=0. 95e V) 和很大的光吸收系数(当 700nm 时, 5 10c m
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阳能电池的吸收层材料, FeS 2可以以薄膜的形式
存在, 因而其材料消耗少, 成本较低。因为太阳能电池材料的厚度和吸收系数之间有如下的关系
[3]
:L=
4 (1-x) n
(1)
这里x 是光吸收分数, 是薄膜材料的吸收系数, n 是折射因子, L 是薄膜的厚度。从(1) 式可看出薄膜的厚度L 和光吸收系数 成反比, 比
)
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; 其组成元素价格低廉, 在地球中的含量
收稿日期:2005-04-18; 修订日期:2005-06-18作者简介:钟南保(1974-), 男, 硕士研究生。
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692 江 西 科 学2005年第23卷
较不同材料的吸收系数就可以知道材料的消耗情况, 见表1。
表1 几种常见的太阳能电池材料的吸收系数
电池材料 /cm -1
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CuInSe 2Ga A s
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-S i
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晶系的FeS 2而没有正交晶系的白铁矿; 温度高于475 时, 薄膜多呈多晶形式, 但是显示出(111) 的择优取向; 温度在接近500 时能制得符合标准化学计量的FeS 2; 当温度高于500 , 硫蒸汽压力低得不能抑制分解反应时会出现Fe 1-x S 晶相, 晶粒的大小为1~10 m , 决定于衬底的取向、温度以及薄膜的生长速率; 温度高于550 时, 有
[7]
利于增大晶粒的大小。在此基础上J . O erte l 等用(Co (CO ) 3) NO 作为掺杂原子Co 的掺杂源进行掺杂制备了导电类型为n 型的FeS 2, 实验时分别控制硫源、铁源和Co 的掺杂源的温度、蒸汽压力。研究了在不同基底温度生长的薄膜的XRD 、Fe /Co的比值、热电常数、薄膜电阻、霍耳迁移率、载流子浓度等参数。当Co 在薄膜中数量的增加到0. 3%时, 薄膜的导电类型逐渐从p 型
20
转向n 型; 薄膜中载流子浓度很大(>10c m ); 热电常数很小(
[9]
N. Takahashi 等在常压下以Fe C l 3和C H 3CSNH 2作原材料采用MOCVD 法在玻璃衬底上制备S /Fe原子比值稍小于2的FeS 2薄膜。通过实验结果发现:500 是合适的实验温度, 所制得的薄膜是立方晶系、晶格常数为; 除FeS 2外, 没有其它晶相, 也没检测到薄膜中含有C 、N 、O 和C l 等元素, 而S /Fe比值比理想值稍小表明薄膜中有硫空位。当温度为525 和550 时, 发现薄膜中存在Fe 1-x S , 表明立方晶系的FeS 2在温度高于500 时会转化成Fe 1-x S 。这和B . Tho m as 等所得到的结论是一致的。通过对薄膜生长速率的研究可以知道温度明显影响薄膜的生长速率。在500 条件下, 薄膜的最大生长速率大约
-1
为8. 4 m h , 这个值比磁控溅射法当中薄膜的生长速率大, 但是和低压MOC VD 法中的薄膜的生长速率相当。实验还研究了载流子浓度、薄膜的电阻率、霍耳迁移率以及禁带宽度。1 4 喷雾法
A. Y a m a mo to 等将FeSO 4和(NH 4) 2S x 的水溶液作Fe 和S 的先驱, 用喷雾法在加热到120 的衬底上制得FeS 2薄膜。但是薄膜当中有其它物相, 如FeS, 白铁矿等。所以还得将所制得的薄膜在H 2S 气氛中硫化30m i n 。实验发现比较理想的硫化温度大约是500 , 此条件下硫化时[10][9]
[6]2-3[8]
从表1中可以看到, FeS 2材料的光吸收系数在这些常见的材料当中是最大的。因此在制作FeS 2薄膜太阳能电池时, 所需的FeS 2材料很少。
综上所述, FeS 2薄膜在光电子以及太阳能电池材料等方面有潜在的应用前景, 因而受到人们的广泛关注。
目前FeS 2薄膜的研究重心主要集中在如何制备出化学剂量比理想、性能好的薄膜。因为只有制备出好的薄膜材料, 才能制作出好的光电器件。因此, 本文着重阐述不同的制备方法所制备出的薄膜的质量和光电性能。
1 FeS 2薄膜的制备方法
从Sechra 等。首先制备二硫化铁薄膜到目前为止, 国内外已经有多种制备FeS 2薄膜太阳能电池材料的技术, 其中包括硫化铁膜法, 溶胶凝胶法, 电沉积法, MOC VD 法, 喷雾法等。1 1 直接蒸镀法
Sechra 等在A l 基片上直接热蒸镀FeS 2制取薄膜, 所制得的薄膜中有FeS 2晶相, 也有其它晶相。这是由于蒸镀过程中, FeS 2发生热分解, 使薄膜成分偏离标准化学配比很多, 导致薄膜的光电性能很差。不过为后来的磁控溅射法提供了思路。
1 2 硫化FeS 法
陈章其
[5][4]
[4]
等将FeS 和S 的粉末放入石英真空
管中, 使FeS 和S 的温度分别为650 和400 , 热化学反应130h 而合成淡黄色的多晶二硫化铁粉末, 实验表明S 在FeS 中的扩散系数很小, 导致实验时间很长, 不利于工业生产。为制得FeS 2薄膜和缩短实验时间, 应将FeS 制成薄膜形式再硫化。
1 3 MOC VD 法
B . Tho m as 用低压MOCVD 法在S 、i GaP 和ZnS 衬底上制备FeS 2薄膜。实验中用[(CH 3) 3C]2S 2和Fe(CO) 5分别作为所需的硫源 [6]
第5期 钟南保等:二硫化铁光电薄膜制备技术的研究进展
16
20
693
都为P 型; 载流子浓度为10~10
2
c m ; 霍尔迁
-3
的, 增加硫的数量对制备薄膜几乎没有影响。研究分析了薄膜的晶体结构对光电性质的影响。实验结果表明晶体颗粒对薄膜的电学性质起决定性影响; 晶粒的择优取向对晶体的结构和光电性质有重要影响。Long W ei 等用正电子湮没法研究了这一方法制备的薄膜中的缺陷。实验结果显示所制备的薄膜存在的缺陷主要是硫空位, 这和N aoyuk iTakahash i 等用喷雾法所得到的结论是一致的。当硫化温度从300 增加到400 时, 薄膜随着缺陷的减少有更好的结晶度, 继续增加硫化温度到高于400 时, 薄膜中会有毛刺, 使薄膜的性能更差。同时实验表明在硫化过程中在铁和硫的交界面处会形成一层薄的过渡层。L . M eng
[17, 18]
[10]
[16]
移率200~1c m /Vs ; 实验还发现:FeSO 4溶液的
浓度更低时有利于薄膜颗粒的生长和提高薄膜的电学性能。B . B essa i s
[11]
等将FeC l 3. 6H 2O 的水溶
液以雾状形式喷到加热到350 的玻璃衬底上, 获得的薄膜经过真空热处理后主要有两种物相, 绝大部分是Fe 2O 3, 一小部分是Fe OOH, 经进一步加热后转化成Fe 2O 3, 再将Fe 2O 3在450 下真空硫化6h 后就能获得结晶度很好的P 型FeS 2薄膜。
1 5 电沉积法
N aka m ura 等在FeSO 4和N a 2S 2O 3(Fe :S =1:2~100) 的水溶液中通过加入稀硫酸调整溶液的p H 值, 在钛基片上电沉积薄膜。电沉积时电流密度的大小为0. 35~0. 75mA /cm , 但是所制得的薄膜中S /Fe的值一般是1, 不能达到2; 而且基片的沉积电位、溶液的主离子浓度几乎不会影响薄膜的合成。因为在电沉积的过程中发生的反应是:
F e +S 2O 3+2e FeS+SO 3
最后将制得的薄膜在石英玻璃管中, 以N 2做载气, 通入硫蒸汽在500 下硫化20m in 制得FeS 2薄膜。
用电沉积法制备FeS 2薄膜文献报道较少。1 6 溶胶凝胶法
H. Duan
[12]
2+
2--2-2
[2]
等除了研究这一方法制备的薄膜的结
构演变之外, 还研究了薄膜的微晶形貌、成分和光吸收性质。硫化温度为400 时微细晶粒成核主要是铁的硫化物过渡形成, 而硫化温度为500 时, 微细晶粒的成核是直接有二硫化铁形成。500 制备的薄膜中硫的含量比400 时制备的更高, 并且薄膜的沉积速率更快。400 条件下通过延长硫化时间, 所制备的薄膜的光吸收峰增加到接近理想值, 比500 所制备的薄膜的吸收峰高。N. H a m dadou 等采用此法将铁膜在550 下硫化6h 而制得了FeS 2薄膜, 测试所制薄膜的晶格常数为, 晶粒有两种大小, 一种大约为150n m, 另一种大约为500nm, 所以薄膜的电导是在一定范围变化的。1 8 磁控溅射法
W ill e ke
[19]
[13]
等将FeSO 4. 7H 2O 和PVP 溶于蒸
馏水中加热至90 搅拌1h 后, 依次加入适量的
嘧啶和胶体、硫脲流体和硫反应制成二硫化铁粉末, 再将所制得的粉末由EPD 法制成薄膜。采用此法制备的薄膜导电类型为n 型; 薄膜晶粒大小约为1; 薄膜的禁带宽度接近0. 95e V 的理想值; 霍耳迁移率变化范围为429~32. 9c m /Vs ; 薄膜具有10
19
2
等用此方法在Leybo l d Z400溅射
系统中镀膜, 溅射靶FeS 2是由人工合成的纯度为
99. 9%的FeS 2粉末制成的, 但靶材中含有少量的FeS 相。为了保证镀膜成分能达到二硫化铁的化学计量比, 在反应室中加入一定量的S 蒸气。研究发现, 在低温下制备的薄膜中含有少量白铁矿型的FeS 2; 随着温度的升高, 只出现pyrite 相, 晶粒择优生长方向从(200) 晶面转变为(111) 晶面, 晶粒的平均尺寸为40n m, 为微晶结构, 薄膜为p
18-3
型简并态半导体。其空穴浓度为5 10c m , 电阻率为4
-1
c m 数量级的载流子浓度; 实验还表
-3
明:对二硫化铁薄膜进行退火处理能提高薄膜的
光电性能。1 7 硫化铁膜法
用这一方法能重复制得性能较好的二硫化铁
[13]
薄膜, 这和当时H a m dadou 等的看法是一致的。Dongyun W an
[14, 15]
等研究分析了硫蒸汽压力在硫c m , 霍耳迁移率为5c m /Vs 。
-12
化铁膜制备Fe S 2薄膜中的影响。根据实验结果和理论分析, 澄清了关于硫蒸汽压力在实验过程
当中所起作用的不一致的结论; 实验结果显示当硫蒸汽压力低于其饱和蒸汽压时, 薄膜的结晶度采用磁控溅射法制备的Fe S 2薄膜, 其附着力较高, 不易剥落, 但由于粒子能量较高, 会导致薄膜中点缺陷密度较高。另外, 在溅射的过程中, 要在真空室里通入一定的S 蒸气, 对真空室有一定的
694 江 西 科 学
199:1205-1210.
2005年第23卷
2 结论
二硫化铁薄膜由于其本身的优越性质而引起广泛的关注, 现在已经有多种制备二硫化铁薄膜的方法. 在上述的这些制备方法中, 铁膜硫化法是
能重复制备性能较佳的二硫化铁薄膜的方法之一。MOC VD 法也能制备性能较好的薄膜, 但是其制备设备较复杂, 过程也较难控制。各种方法所制备的薄膜的性能和理论值都有一定的差距。主要是因为:(1) 所制备的薄膜中存在一定的晶界、空位、间隙原子和位错等缺陷; (2) 在制备过程中工艺条件不好控制; (3) 所制备的薄膜很难纯净单一, 存在其它的物相。因此, 如何改进工艺来制备具有合适的化学计量比、均匀性好、附着力强、光电性能好的FeS 2薄膜, 仍然是有待人们去解决的一个问题。
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