化学浴沉积法制备Cd掺杂Sb2S3薄膜及其光电应用

摘要

Sb2S3作为Ⅴ-Ⅵ族重要的半导体材料，具有独特的光电特性，在热电制冷及光电器件等领域有着潜在的应用价值。化学浴沉积法工艺简单、经济且易大规模生产薄膜，已广泛用于硫化物薄膜的制备，但化学法沉积的Sb2S3薄膜电导率低且极薄，影响了薄膜的光电性能及应用。本论文采用化学浴法制备掺杂Sb2S3薄膜，探索掺杂对其结构及光电性能的影响；同时，为拓展Sb2S3薄膜的光电应用，首次研究了FTO|Sb2S3|Ag忆阻器的忆阻性能，并分析其阻变机理。
　　本论文采用化学浴沉积法，通过优化溶液pH、温度等条件，分别在两种硫源体系（TS、TA）下制备出辉锑矿相Sb2S3薄膜。沉积液pH=1.9时，Sb2S3的Zeta电位为零，即达到等电点，在酸性条件（pH≤3.5）下沉淀薄膜，可提高薄膜与衬底间的附着力。TS体系下制备的Sb2S3薄膜结晶度良好、表面平整且致密。TA体系下制备的Sb2S3薄膜在(210)、(311)和(410)晶面出现了新的峰值，且半峰宽变窄，具有更好的结晶度，但表面均匀性有待提高。
　　采用TS体系，在低温水浴中沉积掺杂Sb2S3薄膜，Na2S2O3浓度影响薄膜生长过程，在3 mol/L条件下薄膜结晶度最好。最佳实验条件下制备的Cd、Zn掺杂Sb2S3薄膜经退火，得到辉锑矿相Sb2S3，说明掺杂没有改变薄膜的晶体结构，但Zn掺杂在（002）晶面出现了择优生长现象。掺杂后薄膜厚度仍约为200nm，表面出现空隙或颗粒凸起。在光电性能测试中，Cd掺杂后，薄膜禁带宽度几乎不改变，而Zn掺杂缩小了薄膜的禁带宽度。掺杂前后Sb2S3薄膜的导电类型不变，均为n型半导体，但掺杂均提高了薄膜的载流子浓度，特别是Zn掺杂。同时，CdS/Sb2S3/Ag异质结I-V曲线测试中，掺杂提高了异质结的整流特性，Cd掺杂薄膜表现了较好的整流曲线。
　　以无定型Sb2S3薄膜制备的FTO|Sb2S3|Ag器件具有良好的忆阻特性，表现为双极型。随着薄膜厚度的增加，电流阶跃性的跳变越来越明显，最大幅度达到5-6倍。FTO|Sb2S3(180nm)|Ag具有较好的稳定性，50个周期循环扫描仍可保持I-V曲线的基本形状，且高、低阻态电流可保持10000s不变。退火后，Sb2S3薄膜由非晶态转为晶体，忆阻特性消失，I-V曲线表现为纯电阻。Sb2S3忆阻性能受电极的影响很大，若蒸镀活泼电极则表现出良好忆阻性，若换做惰性电极，则忆阻性能消失，呈现整流特性。由此推论，Sb2S3忆阻器的导电机理为金属导电细丝机理。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2 Sb2S3薄膜的掺杂

1.3 Sb2S3薄膜忆阻器

1.4课题的提出与研究内容

第二章 实验方案设计与研究方法

2.1原料与设备

2.2方案设计和实验过程

2.3样品结构和性能表征

第三章 Sb2S3薄膜的制备及沉积原理分析

3.1 TS体系制备Sb2S3薄膜及原理分析

3.2 TA体系制备Sb2S3薄膜及性能表征

3.3 不同硫源体系对薄膜的影响

3.4本章小结

第四章 掺杂Sb2S3薄膜的制备及性能表征

4.1 Na2S2O3浓度、pH等实验参数的优化

4.2 掺杂对Sb2S3薄膜结构、形貌及性能的影响

4.3 掺杂对Sb2S3薄膜晶体光学性能的影响

4.4 掺杂对Sb2S3薄膜晶体电学性能的影响

4.5 本章小结

第五章 Sb2S3忆阻器的制备及其忆阻性能的研究

5.1 薄膜厚度对忆阻器性能的影响

5.2 忆阻器的忆阻稳定性

5.3 忆阻机理的分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录