多功能磷化铟半导体材料的合成与表征_高强.pdf

第5 7卷第2期华中师范大学学报(自然科学版)V o l.5 7 N o.22 0 2 3年4月J OUR NA LO FC E N T R A LCH I NANO RMA LUN I V E R S I T Y(N a t.S c i.)A p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 1-1 1-2 5.基金项目:国家自然科学基金项目(1 1 7 4 7 0 4 4);湖北省教育厅科研计划项目(B 2 0 2 0 1 5 3);湖北科技学院科研项目(2 0 2 0-2 1 X 2 6,2 0 2 0-2 2 G P 0 1,2 0 1 9-X B-0 1 8,2 0 1 9-X A-0 0 7).*通信联系人.E-m a i l:9 5 2 0 5 0 5 6 4 q q.c o m;h c h y h 2 0 0 1 t o m.c o m.D O I:1 0.1 9 6 0 3/j.c n k i.1 0 0 0-1 1 9 0.2 0 2 3.0 2.0 0 9文章编号:1 0 0 0-1 1 9 0(2 0 2 3)0 2-0 2 5 0-0 5多功能磷化铟半导体材料的合成与表征高 强1,毛彩霞2*,薛 丽2,吴 涛3*,胡永红1(1.湖北科技学院资源环境科学与工程学院,湖北 咸宁4 3 7 1 0 0;2.湖北科技学院电子与信息工程学院,湖北 咸宁4 3 7 1 0 0;3.咸宁职业技术学院工学院,湖北 咸宁4 3 7 1 0 0)摘 要:该文利用化学喷雾热解法,在7 7 3K温度下,基于玻璃衬底沉积得到了磷化铟薄膜.进一步研究发现,磷化铟薄膜为立方相多晶,并且优先取向(1 1 1)方向,其直接带隙为1.5 0e V.磷化铟薄膜呈现n型导电性,电阻率为5.1 81 03c m.因此,磷化铟薄膜材料在未来高频、大功率材料和光电子器件领域具有潜在应用.关键词:纳米结构;n型;立方结构;结构特性;电学特性中图分类号:T N 3 0 4文献标志码:A开放科学(资源服务)标志码(O S I D):半导体材料的研究在当今材料研究领域具有举足轻重的作用,这是因为它们都具有特殊性质,且分别对应不同的重要器件用途.磷化铟就是一种重要的半导体材料,它属于-族.与-族材料相比,-族材料因具有更好的光电性能,所以被认为具有更巨大的应用潜力.磷化铟具有直接带隙(1.3 4e V),它被广泛用于制造发光二极管、激光器、光电探测器和异质结构的场效应晶体管.由磷化铟材料制成的器件更适合用于光纤通信,因为它们可以在石英光纤的低损耗窗口中工作.p型磷化铟材料被用于光电化学水分解1.材料的稳定性和形态特性决定了沉积膜的应用领域和效果,而不同的沉积方法导致其具有不同的形态特性.因而,研究者们纷纷采用不同的方法来沉积磷化铟薄膜.I k e j i r i等利用金属有机气相外延技术沉积得到了磷化铟薄膜,并研究了锌掺杂对磷化铟晶体生长的影响2.D u t t a等利用延展性基底沉积得到了磷化铟薄膜,且报道了其非凡的光致发光响应,因此可以用于光伏和光电应用3.C h e n等使用了一种简单的溶胶-凝胶技术沉积得到了p型磷化铟薄膜,他们预测其在光电化学器件方面的可能应用4.Y e r i n o等利用分子束外延方法沉积磷化铟薄膜,并研究了其物理性质5.P a t z k e等利用气相沉积技术沉积形成了磷化铟纳米线,他们指出随着温度的升高,磷化铟颗粒尺寸逐渐增大6.G u d i k s e n等使用了激光辅助催化生长方法来制备磷化铟薄膜7.对于薄膜的沉积,他们采用光致发光成像和光谱学来确定磷化铟薄膜的物理特性.R a s h i d o v a等研究了快电子辐照对磷化铟薄膜电学性质的影响8.根据H a a p a m a k i等的说法,使用气源分子束外延技术沉积的薄膜在结构和形态特性方面显示出良好的结果9.C h a n d r a利用射频溅射法,在玻璃衬底上沉积得到了磷化铟薄膜,其物理和电性能受氩气压力和射频功率变换的显著影响1 0.H a f e z等用脉冲激光沉积技术,在用蓝宝石和G a A s(1 0 0)衬底沉积得到了磷化铟薄膜,并报道了在沉积薄膜的某些区域生长了多面体岛状结构1 1.K a p a d i a等利用液相外延沉积方法,限制磷化铟薄膜的晶核位置和成核密度1 2.他们还采用快速蒸发技术沉积磷化铟薄膜,并进行形貌分析,报道了光致发光特性1 3.S a h u等报道了使用电沉积技术,从非水介质中沉积N型磷化铟 薄膜,并发现环境温度越高沉积得到薄膜的质量越好1 4.两种不同的方法:热注入法和加热法同时被用来沉积产生磷化铟量子点,发现这些量子点材料可能在生物方面具有重要应用1 5.K a y a l i等报道,在玻璃衬 底 上 喷 涂 沉 积 得 到 了 磷 化 铟 薄膜,并发现随着薄膜厚度的增加,其电阻率逐渐下降1 6.A k s o y等使用简单的喷雾热解方法研究了磷化铟薄膜的形态和结构分析,并报道了这些 第2期高 强等:多功能磷化铟半导体材料的合成与表征2 5 1 性质强烈依赖于厚度1 7.基于文献调查,发现在众多的制备方法中,喷雾热解法是合成和表征磷化铟薄膜的最有效的方法,因此,决定在研究中使用该方法进行沉积制备磷化铟薄膜.本研究采用了 一 种 简 单 经 济 的 化 学 喷 雾 热 解 技 术,在7 7 3K温度下沉积了磷化铟薄膜,并研究了相关的物理性质.1实验部分经济、简单的沉积方法一直备受研究者的青睐.简单的沉积方法利于更精确地优化沉积参数,从而沉积出具有优异质量的薄膜材料.基于这一点,本文采用一种简单且经济的喷雾热解沉积法来沉积制备磷化铟(I n P)薄膜.将含有磷酸二钠(N a2H P O4)和氯化铟(I n C l3)的前驱体溶液溶解在双馏蒸水中.在量筒中将3 0m L(0.1m o lL-1)磷酸二钠和3 0m L(0.1m o lL-1)氯化铟混合得到 喷 雾 溶 液.0.1 m o lL-1(N a2H P O4)和0.1m o lL-1(I n C l34 H2O)的水溶液分别作为磷和铟的来源.以玻璃微载玻片作为沉积基底,在沉积薄膜时,为了获得高质量的粘合薄膜,基底清洁非常重要.如果基底被弄脏,那么它会导致不均匀和无粘性的薄膜.商用基板的尺寸为2 6mm7 6mm2mm.首先,将这些载玻片保存在含有铬酸的烧杯中并煮沸4 5 m i n,然后用液体洗涤剂和丙酮彻底清洗这些载玻片.最后,在沉积过程开始之前,用双蒸馏水 超声清洗这 些载玻片 至少1 5m i n.在沉积薄膜时,喷雾流速是最重要的参数之一,必须对其进行精确优化,因为在基材上沉积薄膜的质量取决于这一因素.在本工作中,发现喷雾流速的最佳值为2m Lm i n-1.喷洒的总溶液体积为2 0m L.如果喷射速率超过流速的优化值,或者低于优化值,则沉积膜显示出裂纹和不规则沉积,即沉积膜由于喷射的溶液量不足而不均匀或破裂.喷雾热解实验装置如图1所示.为了优化不同的参数(见表1),进行了几次试验,例如基底温度、流速、喷雾溶液体积等.对于薄膜沉积,保持7 7 3K的优化温度,并且喷嘴到衬底的距离为3 0c m.对于膜的厚度测量,采用重 量 差 法,发 现 该 值 为1 4 2n m.在 波 长 为0.1 5 44n m的C u K 射线的X射线衍射仪的帮助下进行结构分析.对于表面形态学研究,使用扫描电子显微镜(J O E L-6 3 8 0A),并使用珀金埃尔默(L a m b d a2 5紫外-可见分光光度计)研究光学性质.图1 喷雾热解实验装置F i g.1 S p r a yp y r o l y s i se x p e r i m e n t a l s e t u p表1 优化的制备参数T a b.1 O p t i m i z e dp r e p a r a t i v ep a r a m e t e r s喷雾溶液的组成3 0m L(0.1m o lL-1)I n C l3+3 0m L(0.1m o lL-1)N a2H P O4基质的性质无定形玻璃衬底温度(7 7 35)K喷洒速度2m Lm i n-1喷嘴直径0.5mm喷嘴到基底的距离3 0c m2结果和讨论2.1结构分析X射线衍射术是众所周知的表征沉积晶体材料的非破坏性方法.在本研究中,磷化铟薄膜沉积在玻璃衬底上.图2表示磷化铟薄膜的X射线衍射图,该 图 显 示 了(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)、(3 1 1)、(2 2 2)、(3 3 1)和(4 2 2)结构峰的存在,这些结构峰具有立方晶格并且沿着(1 1 1)平面具有最强的取向,并且反映了其高度均匀性和高度取向的光滑度.2 等 于2 6.3 1 2、3 0.4 9 7、4 3.6 9 7、5 1.5 9 3、5 4.1 3 3、6 9.8 2 4和8 0.0 9 6的X射线反射峰的出现与J C P D S(3 2-0 4 5 2)标准相关.表2显示了不同角度(2)下所选峰的观察数据和标准X R D数据之间的比较.D e b y e-S c h e r r e r公式被用来计算粒度(d):d=c o s,(1)这里,为全宽半峰,为布拉格角,为X射线波长(0.1 5 4n m).然后,将相关值放入等式(2)中,获得2 5 2 华中师范大学学报(自然科学版)第5 7卷沉积膜的晶粒尺寸值,发现其厚度值为3 8n m.图2 磷化铟薄膜的X R D图F i g.2 X R Dp a t t e r no f i n d i u mp h o s p h i d e t h i nf i l m s表2 磷化铟薄膜(J C P D S卡3 2-0 4 5 2)的观察数据和标准X R D数据的比较T a b.2 C o m p a r i s o no fo b s e r v e da n ds t a n d a r dX R Dd a t ao f I n Pt h i nf i l m s(J C P D Sc a r d3 2-0 4 5 2)薄膜观测值标准值2/d/n m2/d/n mhkl晶相2 6.3 1 2 0.3 3 76 2 6.2 8 3 0.3 3 88211立方3 0.4 9 7 0.2 9 30 3 0.4 3 0 0.2 9 35300立方4 3.6 9 7 0.2 0 72 4 3.6 0 6 0.2 0 74420立方磷化铟5 1.5 9 3 0.1 7 70 5 1.6 2 3 0.1 7 69511立方5 4.1 3 3 0.1 6 92 5 4.0 9 2 0.1 6 94622立方6 9.8 2 4 0.1 3 46 6 9.8 1 2 0.1 3 46731立方8 0.0 9 6 0.1 1 97 8 0.0 3 7 0.1 1 98822立方2.2表面形态表面形态分析是获得所需材料微观信息的最重要的特性之一.具有不同放大率的磷化铟薄膜的表面形态,如图3所示.从中可以观察到薄膜均匀地覆盖整个衬底,具有紧密的网状线状结构和纳米颗粒,没有空隙和针孔.这使得这种材料更适合光电和太阳能应用.图3 磷化铟薄膜的扫描电子显微镜照片F i g.3 S EM m i c r o g r a p h so f i n d i u mp h o s p h i d e t h i nf i l m2.3光学特性为了测定沉积薄膜的光学性质,使用了3 0 011 0 0n m范围内的吸光度测量值.图4显示了光吸收随波长变化的曲线图.(E)2与E的关系如图5所示,图中标示了直接跃迁对应的带隙值.图4 喷射沉积磷化铟薄膜的光吸收随波长的变化F i g.4 V a r i a t i o no fo p t i c a l a b s o r p t i o nv s.w a v e l e n g t hf o rs p r a yd e p o s i t e d i n d i u mp h o s p