铁硅化合物β-FeSi_2带间光学跃迁的理论研究

采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了β-FeSi2基态的几何结构、能带结构和光学性质.能带结构计算表明β-FeSi2属于一种准直接带隙半导体,禁带宽度为0.74eV;其能态密度主要由Fe的3d层电子和Si的3p层电子的能态密度决定;利用计算的能带结构和态密度分析了带间跃迁占主导地位的β-FeSi2材料的介电函数、反射谱、折射率以及消光系数等光学性质计算结果,复介电函数的计算结果表明β-FeSi2具有各向异性的性质;吸收系数最大峰值为2.67×105cm-1.

稀土元素La掺杂β-FeSi_2的几何结构和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对稀土元素La掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度进行了理论计算.几何结构的计算表明:La掺杂后使β-FeSi2的晶格常数a、b、c都变大了,使得晶胞体积也相应增大;La掺杂β-FeSi2的置换位置为FeⅡ位.电子结构的计算表明:能带结构为直接带隙,禁带宽度变窄仅为0.013eV;费米面进入价带,能带数目增多,态密度峰值减小,费米面附近载流子浓度显著增大.这些结果为β-FeSi2光电材料掺杂改性的实验和理论研究提供理论依据.

β-FeSi_2热电材料的研究进展

综述了β-FeSi_2热电材料晶体学和电子学的基本性质,介绍了通过掺杂和改变微观结构以改善β-FeSi_2热电性能这两种常用方法,并指出其存在问题和研究方向。

退火温度和β-FeSi2薄膜厚度对n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池的影响

本文采用室温直流磁控溅射Fe-Si组合靶的方法,并通过后续退火温度的优化得到了单一相高质量的β-FeSi2薄膜。结果表明,在本实验条件下得到的未掺杂的β-FeSi2薄膜在室温下是n型导电的,其电学特性存在一个退火温度的最优点:800℃。而且在这个最佳温度点上,在Si(111)衬底上外延得到的薄膜载流子迁移率比在Si(100)上高出了一倍多。在上述研究的基础上,采用p-Si(111)单晶片作为外延生长β-FeSi2薄膜的衬底,并通过退火温度和薄膜厚度的优化制备出了国内第一个n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池,其Jsc=7.90 mA/cm2,Voc=0.21V,FF=0.23,η=0.38%。

快速凝固β-FeSi_2半导体的热电性能

研究了由快速凝固粉烧结制备的ｐ型 Ｆｅ０．９２５Ｍｎ０．０７５Ｓｉ２－０．１７％（质量分数）Ｃｕ样品的热电性能随温度的变化。Ｘ射线衍射分析表明，快速凝固粉由α相和ε相组成。烧结样品８００℃退火 ２１ｈ后，完全转变为β半导体相。烧结时间对β－Ｆｅ－Ｓｉ２合金的热电性能有较大的影响，烧结时间地长．Ｓｅｅｂｅｃｋ系数和电阻率越小。

C掺杂β-FeSi_2的电子结构和光学特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对C掺杂β-FeSi2的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行了理论计算.几何结构和电子结构的计算表明:C掺杂后使得β-FeSi2的晶格常数a和b减少,c变化不大,晶格体积减小;C掺杂后的β-FeSi2能带结构仍为准直接带隙,禁带宽度变窄,直接带隙与间接带隙的能量差值不变,C的掺杂消弱了Fe的3d态电子,费米能级附近的电子态密度主要由Fe的3d态电子贡献.光学性质的计算表明:与未掺杂时相比,介电函数的实部ε1减少,虚部ε2的峰值减少并向高能方向有一微小的偏移,吸收系数有所降低.计算结果为β-FeSi2光电材料的应用和设计提供了理论指导.

热电材料β-FeSi_2机械合金化和热处理相变

用机械合金化法研制出了β-FeSi2热电材料.研究了球料比、球磨时间等机械合金化参数以及热处理工艺对Fe-Si合金相变的影响.采用X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)分析了Fe-Si合金相组成及微观形貌.研究结果表明:在球料比为80∶1、球磨速度为450r/min的条件下,球磨5h后的粉体的组成相为α-Fe2Si5,β-FeSi2和ε-FeSi;随着球磨时间的延长,Fe-Si合金粉体的颗粒度变细,成分更加均匀,β-FeSi2的含量逐渐增多;增加球料比也能使Fe-Si合金粉体中的β-FeSi增多;经800℃热处理保温0.5h后可以获得单相β-FeSi.

β-FeSi_2/Si异质结的制备及性质研究

采用直流磁控溅射和真空退火方法制备β-FeSi2/Si异质结,首先在n型Si(100)衬底上沉积Fe膜,经真空退火形成β-FeSi2/Si异质结,Fe膜厚度约238nm,退火后形成的β-FeSi2薄膜厚度约为720nm。利用XRD、SEM和红外光谱仪分别研究了β-FeSi2薄膜的晶体结构、表面形貌和光学性质。霍尔效应结果表明,制备的β-FeSi2薄膜为n型导电,载流子浓度为9.51×1015cm-3,电子迁移率为380cm2/(V.s)。

Si空位缺陷对β-FeSi_2电子结构和光学性质影响的研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法对含Si空位的β-FeSi_2缺陷体系的几何结构、能带结构、态密度和光学性质进行计算.结果表明,Si空位引起了晶格结构发生畸变,能带变窄,在价带与导带之间形成一个独立能带,费米面整体向上发生微小偏移,形成了P型半导体.对光学性质的研究发现,由于Si空位的介入使其邻近原子电子结构发生变化,静态介电常数ε_1(0)增大;ε_2的第一峰的位置向低能端移动,吸收系数发生微小红移.

直流磁控溅射法制备单一相高质量β-FeSi_2薄膜

报道了在单晶Si(100)衬底上,采用室温直流磁控溅射Fe-Si组合靶的方法,并经过后续气氛退火来制备β-FeSi_2薄膜的结果。主要研究了退火时间、退火温度等实验条件对样品结构特性、光学特性和电学特性的影响,制备出了单一相高质量的β-FeSi_2薄膜。霍尔测试表明未掺杂薄膜是P型导电的,载流子浓度5.747×10^(16)cm^(-3),空穴迁移率168cm^2/Vs。由反射-透射法得到薄膜的禁带宽度为0.879eV,吸收系数在光子能量为1.0eV时达到了1.42×10~5cm^(-1)。基于以上优异的光电性能,β-FeSi_2薄膜可望用作太阳电池的有源层。

不同溅射气压对β-FeSi2形成的影响木

采用磁控溅射方法，在不同的溅射气压（Ar气0．5-3．0Pa）条件下沉积纯金属Fe到Si（100）衬底上，通过真空退火炉在800℃对样品进行保温2h，直接形成了正交的β-FeSi2薄膜，利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、椭偏光谱仪，对不同溅射气压下合成的β-FeSi2薄膜的结晶特性、表面形貌及光学性能进行表征，研究了不同溅射气压对制备β-FeSi2薄膜的影响。结果表明：在1．5Pa时能形成较好的β-FeSi2薄膜，临界溅射气压在2．0Pa附近，当溅射气压低与临界值时，β-FeSi2薄膜的成核密度较高，且成核密度随溅射气压的增大而降低；当溅射气压超过临界值以后，β-FeSi2薄膜的成核密度基本不变；薄膜的折射率n随压强的增大而增大，消光系数k随压强的增大而减小。

掺杂β-FeSi_2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法,对掺入Mn,Cr,Co,Ni的β-FeSi2的几何结构、能带结构和光学性质进行了研究.计算结果表明:(1)杂质的掺入改变了晶胞体积及原子位置,掺杂是调制材料电子结构的有效方式;(2)系统总能量的计算表明Mn掺杂时倾向于置换FeI位的Fe原子,而Cr,Co,Ni倾向于取代FeII位的Fe原子;能带结构的计算表明掺Mn,Cr使得β-FeSi2的费米面向价带移动,形成了p型半导体;而掺Co,Ni则使得β-FeSi2的费米面向导带移动,形成了n型半导体;(3)杂质原子的掺入在费米面附近提供了大量的载流子,改变了电子在带间的跃迁,对β-FeSi2的光学性质造成影响.

飞秒激光沉积β-FeSi_2／Si半导体膜及光学性能研究

采用飞秒脉冲激光沉积法在Si(100)和Si(111)单晶基片上制备了均匀的单相β-FeSi2薄膜;用X射线衍射(XRD),场扫描电镜(FESEM),能谱仪(EDX),傅立叶红外拉曼谱仪(FTRIS)研究了薄膜的结构、组分、表面形貌和光学性能．观察到了β-FeSi2在Si单晶基片上的生长与晶面取向有关的证据,并在室温(20℃)下观测到β-FeSi2薄膜的光致发光,其发光波长为1．53μm;在氩离子514nm激光的激发下,在192．0和243．9cm-1等位置观察到β-FeSi2的拉曼散射峰．

退火温度对嵌入Si中的β-FeSi_2颗粒发光的影响

研究了退火温度对分子束外延(MBE)方法生长的Si基β-FeSi2颗粒的发光性质和电学特性的影响.结果表明,在900℃下退火的样品,虽然β-FeSi2的结晶质量有所提高,但是由于晶格失配和热膨胀系数的不同,在Si中引入位错,导致样品的光致发光谱展宽和形成的二极管漏电流增大.而在800℃下退火的样品,具有较低的漏电流和较强的室温电致发光谱.

基于β-FeSi_2薄膜的太阳能电池研究

介绍了β-FeSi2的结构,β-FeSi2薄膜的光电特性以及β-FeSi2薄膜在太阳能电池方面的应用,指出了需要加强研究的方面.

基于β-FeSi_2薄膜的异质结研究现状

详细介绍了β-FeSi2的结构和β-FeSi2薄膜的物理特性,以及基于β-FeSi2薄膜的异质结在光电方面的应用。目前,基于β-FeSi2薄膜的异质结应用的研究主要集中在PL和EL等LED领域,而对其应用于太阳能电池方面的研究还很薄弱,所获得的光电转换效率最高是3.7%,远低于其16%～23%的理论值。

机械合金化制备β-FeSi_2热电材料

采用机械合金化结合氩气退火法成功制备了β-FeSi2热电材料,并用XRD、SEM对不同球磨时间后的Fe-Si粉体进行结构及形貌表征.试验结果表明:随着球磨时间的延长,颗粒不断细化,最后可得到Fe-Si纳米晶合金;球磨20h后,Fe衍射峰宽化而Si衍射峰逐渐减弱,形成α-Fe(Si)过饱和固溶体;球磨120h后出现合金ε-FeSi、β-FeSi2相;调整Si/Fe原子比例为2.3,对球磨120h后合金粉末在800℃退火20h,可以得到单相β-FeSi2热电材料.

真空热处理制备β-FeSi2光电薄膜的研究

磁控溅射法沉积的Fe／Si多层膜和Fe单层膜经真空热处理后制备了β-FeSi2薄膜。[Fe1nm／Si3.2nm]60多层膜在〈880℃温度下真空热处理2h后，样品均呈现β（220）／（202）择优取向，而Fe单层膜制备的样品则易形成β-FeSi2与ε-FeSi相的混合物，且取向杂乱。在920℃真空热处理后，两种样品都形成了α-FeSi2薄膜。原子力显微镜分析表明，样品表面粗糙度随热处理温度升高而变大，最大表面均方根粗糙度约为16nm。卢瑟福背散射分析发现，Fe／Si多层膜样品热处理过程中元素再分布很小。根据光吸收谱测量，Fe／Si多层膜制备的β-Fesi2薄膜的禁带宽度为0．88eV。

β-FeSi_2的结构、光电特性及应用

金属硅化物β—FeSi2是具有直接带隙特性的半导体材料，禁带宽度约0．80～0．89eV，是制作硅基光电子光源及探测器件以及太阳能电池，热电器件等最有发展前景的硅基半导体材料之一。目前，已经用多种方法在硅衬底上进行了薄膜外延生长及器件制作的尝试，并取得了一定的成功。文中就近年来β—FeSi2材料的晶体结构、能带结构、光电特性及其在光电子器件中的应用进行了综述。

热处理对环境半导体材料β-FeSi_2形成的影响

作者对采用非质量分离离子束注入沉积法(IBD)在Si(100)上制备的β-FeSi2薄膜进行了研究,通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)分析表明:当退火温度在600℃和700℃附近时有利于β-FeSi2的形成。