Preparation and Evaluation of Functional Nanostructured Transparent Oxide Semiconducting Films by Sol-Gel Dip Coating Method and the Effect of Iron Doping

摘要

近年来，无论是学术领域，还是工业领域，人们对纳米透明氧化物半导体的研究存在浓厚的兴趣。这类材料具有现代光电子材料必不可少的四个重要特点：器件系统规模小，比表面积大，导电性良好和透明度良好。人们不断认识到，可以通过晶格结构和微观形貌等方面的控制，实现对这类材料性能参数的控制，并从材料体系的内在因素出发，引入缺陷，实现金属氧化物结晶或无定形材料的结构及形貌控制。该类材料在染料敏化太阳能电池、化学/气体传感器、光学器件、锂电池、避雷器（压敏电阻）、催化剂、场效应晶体管，紫外线(UV)光电检测器、发光二极管（LED）、压电器件等领域，具有重要应用价值。
　　在我们的工作实现了溶胶-凝胶法制备铋的透明氧化物半导体纳米薄膜，同样的方法也可实现制备Fe3+离子掺杂的氧化铋（δ-Bi2O3）、二氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）薄半膜导体材料。
　　本文对以上系列薄膜材料进行了结构表征，并对其光学和电学性能进行了测试和评价。以上各类溶胶-凝胶法制备的Fe3+离子掺杂的薄半膜导体材料，具有工艺方法简单、低成本高效益，膜层薄而透明、衬底材料及膜层多组分可控，膜层面积大且均匀性好等优势。本文对上述系列薄膜材料分别进行了X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、吸收光谱、和直流双探针电导率测量等一系列关于晶体结构、表面形貌及光电子性能表征与测试。
　　氧化铋薄膜因制备及退火温度制度不同，可形成非化学计量比四方相Bi2O2.33和β-Bi2O3等不同的晶型。分析结果表明，退火温度的升高，不仅导致的晶粒尺寸减小，而且促进了β-Bi2O3向非化学计量比四方相 Bi2O2.33的相转变，其带隙，在一定温度范围内，随退火温度的增加而增加，在550℃下达到最大值3.74eV，而后开随退火温度增加而减小。相应的材料电气性能与退火温度关系得测量表明，电阻率随退火温度的升高而温度增加，可达到非常高电阻率值（≈107Ωcm）。另一方面，薄膜材料在甲基橙光催化分解体系中的应用结果表明，550℃退火条件下制备的薄膜（非化学计量 Bi2O2.33）可实现最佳催化效果，在2小时内可达到94.7％的去除率。
　　本文研究了石英玻璃衬底上制备的δ-Bi2O3薄膜，在室温到和800℃退火条件下，Fe3+掺杂效应对薄膜结构、光学和电学性能的影响。从 X-射线衍射的结果分析，铁离子掺杂后，薄膜中存在δ- Bi2O3，Bi25FeO40和Bi2Fe4O9三相，而以 Bi25FeO40相为主。扫描电镜图像表明，掺杂引起了晶粒尺寸和质量下降；光学性能研究结果表明，10％的Fe3+掺杂，使δ-Bi2O3薄膜的带隙，由直接带隙2.39eV降至1.9eV；电导率测试结果表明，低水平掺杂δ- Bi2O3薄膜材料的电导率高于高掺杂水平的δ-Bi2O3薄膜材料，因此，低水平掺杂的高电导率的Fe3+:δ-Bi2O3薄膜在透明电极材料领域许多应用潜力。
　　我们实现了800℃退火条件下，在石英衬底上制备Fe3+离子掺杂纳米 SnO2薄膜。X-射线衍射结果表明，Fe3+离子掺杂的减少使衍射峰的强度增加；扫描电镜图像表明，Fe3+离子含量的增加使晶粒尺寸减少；光学性能研究结果表明，随着 Fe3+离子的掺杂量的增加，SnO2薄膜材料的带隙由直接带隙3.87eV降至3.38eV；从电气性能测量结果发现，薄膜室温电阻率随 Fe3+离子的掺杂量的增加，先增加，后减小；霍尔迁移率的测量结果表明，Fe3+离子掺杂水平乃实现 n-型或 p-型的二氧化锡导电性之关键，较低水平掺杂得到 n-型半导体，而较高水平掺杂得到p-型半导体。
　　我们实现了800℃退火条件下，在石英衬底上制备 Fe3+离子掺杂纳米 ZnO薄膜。X-射线衍射结果表明，纤锌矿型 ZnO薄膜的晶体结构的不受 Fe3+离子掺杂量的影响；扫描电镜图像表明，Fe元素含量的增加导致了晶粒尺寸和质量下降；室温电气性能测量结果表明，Fe3+掺杂量的下降引起电导率的降低。

目录

PREPARATION AND EVALUATION OF FUNCTIONAL NANOSTRUCTURED TRANSPARENT OXIDE SEMICONDUCTING FILMS BY SOL-GEL DIP COATING METHOD AND THE EFFECT OF IRON DOPING

Abstract

摘要

Contents

Chapter 1 Introduction

1.1 Theory of Transparent Oxide Semiconductors

1.2 The Energy bands theory of Transparent Oxide Semiconductors

1.3 Transparent Oxide Semiconductors Conduction pathways

1.4 General applications Of Transparent Oxide Semiconductors

Chapter 2 Research Methodology

2.1 Deposition Method (Sol-Gel)

2.2 Film Preparation and Deposition

2.3 Film Analysis

Chapter 3 Bismuth Oxide (Bi2O3)

3.1 Introduction

3.2 Structural properties of Bismuth Oxide

3.3 Optical studies of Bismuth Oxide

3.4 Electrical characterization of Bismuth Oxide

3.5 Photocatalytic studies of Bismuth Oxide

3.6 Summary

Chapter 4 Fe3+-Doped ?-Bismuth Oxide

4.1 Introduction

Chapter 5 Tin Oxide (SnO2)

5.1 Introduction

5.2 Structural properties of Fe3+-doped SnO2

5.3 Optical studies of Fe3+-doped SnO2

5.4 Electrical characterization of Fe3+-doped SnO2

5.5 Summary

Chapter 6 Zinc Oxide (ZnO)

6.1 Introduction

6.2 Structural properties of Fe3+-doped ZnO

6.3 Optical studies of Fe3+-doped ZnO

6.4 Electrical characterization of Fe3+-doped ZnO

6.5 Summary

Conclusion, Challenges and Prospects

References

List of Publications

Declarations

Acknowledgements

Resume