硫化亚铜和氧化锌复合薄膜的制备与特性研究

【摘要】ZnO是一种直接带隙宽禁带（Eg=3.1-3.3eV）半导体材料，并且具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质，在能量转化、发光元件、太阳能电极、光催化、单色场发射显示器材料、光电子器件、表面声波元件、生物光学以及通讯等领域具有广泛的用途。目前，开发透明导电氧化物薄膜的新材料的主要研究目标是在可见光谱范围内实现更高的透射率和较低的电阻率。通常情况下，ZnO薄膜具有锌填隙Zni和氧空位Vo的施主型晶格缺陷，所以纯ZnO薄膜是n型半导体。虽然纯ZnO的光透射率很好但是其导电性能极差，因此需要对ZnO进行适当掺杂才能使其性能优化，更有利于应用。同时，由于纳米ZnO材料薄膜间的表面效应、纳米尺度效应等特殊效应存在，其多层复合膜结构具有制备工艺简单、掺杂技术可控和光电性质增强等优点，并且多层膜系在制备过程中可以控制体系电导率和透射率,因此通过多层复合膜结构可以对纳米ZnO薄膜性能进行改善。Cu2S对可见光有吸收作用，因此被认为是一种很有前途的光电材料。硫化亚铜（Cu2S）是一种窄禁带（Eg=1.2-1.24eV）的p型半导体材料，具有良好的化学热稳定性，它的荧光性质在激光和光电传感器等领域有很好的应用。由于Cu2S突出的导电性，使得其在太阳能电池的研究中也具有巨大的应用潜力。因此，利用硫化亚铜的优良光电特性，将窄禁带的硫化亚铜与宽禁带的氧化锌进行复合具有重要的科学研究价值。本论文以ZnO和Cu2S复合材料作为研究对象，采用射频磁控溅射法，分别制备了三种不同结构的Cu2S/ZnO,ZnO/Cu2S和ZnO/Cu2S/ZnO复合薄膜。并分别研究和讨论了Cu2S/ZnO薄膜、ZnO/Cu2S薄膜和ZnO/Cu2S/ZnO薄膜的光电性质。通过X-射线衍射仪（XRD），扫描电镜（SEM）,AvaSpec-2048型双通道光纤光谱仪，RTS-9型双电测四探针测试仪分别对薄膜进行了表征，对透射、电阻等薄膜性质进行了测量，并在薄膜实际应用方面，研究了各种薄膜结构的光催化性能。此外，为了更好的指导实验，取得好的研究效果，本文对薄膜透射理论进行了推导，并对薄膜结构进行了相关的数值模拟研究。本文具体研究内容如下：首先，由双层膜模型透射反射率推导了多层膜光学性质，为本文的实验提供了理论指导。利用磁控溅射法分别制备了Cu2S和ZnO薄膜样品，测得了薄膜的XRD结构，获得并分析了薄膜透射曲线以及导电性质，同时测定了薄膜的光催化效果。其次，利用磁控溅射法制备了Cu2S/ZnO和ZnO/Cu2S双层膜样品，研究并分析了双层膜XRD结构图像和SEM图像，获得了复合薄膜透射曲线以及导电性质，同时测定了双层膜的光催化效果。最后，对ZnO/Cu2S/ZnO三层薄膜透射性能进行了MATLAB数值模拟研究，分析得到最优的Cu2S、ZnO掺量比，为优化实验提供指导。利用磁控溅射法制备了ZnO/Cu2S/ZnO三层膜样品，对其光电性质进行了研究，并与制备的其他薄膜进行了对比，得到最优结构的复合薄膜。
【作者】徐凤；
【导师】崔海宁；
【作者基本信息】吉林大学，光学，2014，硕士
【关键词】复合薄膜；磁控溅射；光电性质；

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