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预制Fe膜结晶状态对FeS2薄膜特性的作用
预制Fe 膜结晶状态对FeS2 薄膜特性的作用*
陈旭波,孟亮
浙江大学材料科学与工程系,杭州(310027 )
E-mail:mengliang@
摘 要:利用在不同温度基底上溅射沉积Fe 膜并硫化合成FeS2 薄膜的方法,研究了Fe 膜
结晶程度对 FeS2 薄膜组织结构和电学性能的影响。结果表明,较高的基底温度能够产生较
大的Fe 膜晶粒尺寸。400 ℃硫化反应可使不同结晶程度的先驱体Fe 转变为晶粒细小的FeS2 。
随着制备 Fe 膜基底温度升高,合成后的 FeS2 膜体几何连续程度提高,载流子浓度上升及
Hall 迁移率降低。制备Fe 膜基底温度为300 ~400 ℃时的FeS2 薄膜电阻率出现极大值。
关键词: FeS2 膜;先驱体;组织结构;电学性能
中图分类号:TN304.05
1. 引言
FeS2 具有合适的禁带宽度和高的光吸收系数,其组成元素储量丰富、无毒,具有良好
的环境相容性,是一种极具发展潜力的太阳能电池材料,目前在制备技术及影响光电转换性
能机制等方面正在深入进行研究[1, 2]。
纯 Fe 膜热硫化法是合成 FeS2 薄膜的重要方法之一[3-10]。为了分析Fe 膜转变为 FeS2
的硫化过程,文献[5]对一定厚度的纯 Fe 基片进行了热硫化,获得了从表面至内部依次为纯
pyrite 层、过渡相层、低 S 含量层及纯 Fe 层的多层结构,由此提出了 FeS2 薄膜的生长过程。
文献[6-10]报导了硫化温度、时间及压力等硫化参数对Fe 膜形成 FeS2 薄膜过程中薄膜厚度、
微观组织、晶体结构和光电性能的影响,得出了不同硫化工艺制备的 FeS2 薄膜的性能变化
规律。
一般情况下,Fe 膜硫化反应形成 FeS2 薄膜的动力学过程由 Fe 原子和 S 原子的扩散速
率控制,晶界是原子扩散的有利途径[5]。因此,先驱Fe 膜的晶粒大小或晶界面积对硫化后
FeS2 薄膜的组织结构应具有直接影响,进而影响到薄膜的有关性能。然而,大多数研究采
用的先驱 Fe 膜均在室温下制得,晶粒极为细小,可认为接近于非晶态,不能反映出先驱体
Fe 膜结晶程度或晶粒尺寸对 FeS2 薄膜组织性能的影响,虽然文献[11,12]在 470K 的玻璃
基底上热蒸镀了 Fe 膜,得到了具有一定结晶度和(110)择优取向的纯 Fe 膜,但却未研究先
驱体 Fe 膜对转化后的 FeS2 薄膜性能的影响。本文采用溅射法并通过控制基底温度制备了不
同晶粒尺寸的先驱Fe 膜,再将 Fe 膜硫化合成 FeS2 薄膜,研究了 Fe 膜结晶程度对 FeS2 薄
膜晶体结构、显微组织和电学性能的影响。
2. 实验方法
镀膜基底采用面积为 26×76mm2 的载玻片,在饱和铬酸溶液中煮沸 15min 后用去离子
水冲洗,再依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波振荡 15min 清洗,最后在 200 ℃下保
温 2h 烘干。
在 FJL-450 型磁控溅射设备中溅射纯 Fe 膜,基底温度分别为 200 、300、400 及 500℃,
溅射后保温 0.5h,得到 0.25~0.3 m 厚的纯 Fe 膜。将纯 Fe 膜和按 400 ℃计算产生 80kPa
名义硫压所需质量的硫粉封装于玻璃管中,封装前抽真空并用 Ar 气置换 5 次。封装后的试
样于 400 ℃硫化20h 。
本课题由教育部博士学科点研究基金(20060335104)资助项目。
-1-
用 X 射线衍射(XRD)仪分析了 Fe 膜和硫化后薄膜的晶体结构。用场发射扫描电子显微
镜(FESEM)观察了 Fe 膜和硫化后薄膜的表面和断面形貌,并测量了薄膜的晶粒尺寸。用 Hall
测量仪测定了室温下薄膜的电阻率、载流子浓度、Hall 迁移率及导电类型。
3. 结果与讨论
3. 1 先驱体膜的结晶
不同基底温度溅射得到的 Fe 膜的 XRD 谱如图 1 所示。与 Fe 的标准衍射谱对照可见,
在 200~500℃基底温度溅射得到的Fe 膜均出现了最强的(110)衍射峰,尤其在 500℃溅射的
Fe 膜甚至出现了对应标准衍射谱的全部衍射峰,与室温下溅射
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