Cu2O及Cu2O-ZnO基半导体异质结的制备与性能研究

摘要

ZnO是本征n型宽带隙半导体，直接带隙，禁带宽度3.37eV，在可见光区域是透明的，且电子迁移率较高，在光电器件领域具有广阔的应用前景。然而制备稳定可靠的p型ZnO材料是目前研究的难点。Cu2O本征为p型，直接带隙半导体，禁带宽度约2.1eV，在可见光区域有较高的吸收系数，理论光电转化效率为20％，是很具潜力的太阳能电池、光催化、光电化学应用材料。Cu2O和ZnO两者都具有无毒、存储量丰富、成本低廉及制备方法多样等优点，因此Cu2O-ZnO异质p-n结在半导体光电器件方面具有广阔的应用前景。目前Cu2O薄膜高的电阻率和低载流子浓度是制约其应用的主要原因。本文采用电化学沉积法和磁控溅射法制备Cu2O薄膜，并制备了Cu2O/ZnO和ZnO/Cu2O两种不同沉积顺序的半导体异质结，研究了其能带结构的差别及原因，制备两种异质结原型器件并测量其Ⅰ-Ⅴ特性曲线。具体工作如下:
　　1、采用电化学沉积法制备了Cu2O薄膜和纳米材料以及ZnO薄膜，研究了溶液pH值、温度等生长条件对Cu2O薄膜的形貌、晶体结构等性能的影响，初步研究了电化学沉积法制备的Cu2O薄膜的光学和光催化性能。
　　2、采用磁控溅射法制备了p型Cu2O薄膜，研究了不同衬底温度、氩氧比等参数下生长的Cu2O薄膜的性能;并对利用真空退火法得到纯相Cu2O薄膜进行了系统研究;在前人工作基础之上进一步研究了不同生长参数对n型ZnO薄膜性能的影响。
　　3、在上述基础上制备了Cu2O/ZnO和ZnO/Cu2O两种不同沉积顺序的半导体异质结，采用XPS法对其价带带阶进行了测量，发现了上述两种异质结的能带结构之间存在不同，对其原因进行了探究;并制备了Cu2O/ZnO和ZnO/Cu2O两种异质结的原型器件，为Cu2O-ZnO基异质结器件的深入研究打下了基础。

目录

声明

摘要

引言

第一章 绪论

1．1 Cu2O的物理性质和应用

1．1．1 Cu2O的基本物理性质及结构

1．1．2 Cu2O的应用

1．1．3 Cu2O的制备技术

1．2 ZnO的结构与性质

1．2．1 ZnO的晶体结构

1．2．2 ZnO的性能和应用

1．3 Cu2O／ZnO基异质结的研究进展

1．3．1 Cu2O／ZnO基异质结太阳能电池的研究进展

1．3．2 Cu2O／ZnO基异质结的其他应用研究

1．4 本论文的选题依据和研究内容

第二章 实验设备及原理、样品制备及表征手段

2．1 引言

2．2 磁控溅射设备、原理和实验过程

2．2．1 磁控溅射原理

2．2．2 磁控溅射设备

2．2．3 磁控溅射制备Cu2O和ZnO薄膜的实验过程

2．3 电化学沉积设备

2．4 样品表征

第三章 电化学沉积Cu2O、ZnO及ZnO／Cu2O异质结

3．1 引言

3．2 CuSO4与C3H6O3体系生长Cu2O薄膜

3．2．1 电解液pH值对Cu2O薄膜成分和形貌的影响

3．2．2 沉积温度对Cu2O薄膜成分和形貌的影响

3．2．3 电沉积Cu2O薄膜的紫外-可见吸收图谱

3．2．4 电沉积Cu2O薄膜的光致发光性能

3．2．5 电沉积Cu2O薄膜的光催化性能初探

3．2．5 小结

3．3 电化学、沉积ZnO薄膜

3．3．1 电化学沉积ZnO薄膜的原理

3．3．2 ZnO薄膜的制备和性能分析

3．3．4 电化学沉积Cu2O／ZnO异质结

3．4 Cu(NO3)2体系生长Cu2O纳米材料的探索

3．5 本章小结

第四章 磁控溅射法制备Cu2O和ZnO薄膜与性能研究

4．1 引言

4．2 磁控溅射法制备Cu2O薄膜及其性能研究

4．2．1 氧分压对Cu2O薄膜特性的影响

4．2．2 衬底温度对Cu2O薄膜结构成分和形貌的影响

4．2．3 退火处理对Cu2O薄膜结构和成分的影响

4．2．4 磁控溅射法制备的Cu2O薄膜的光学特性

4．2．5 磁控溅射法制备的Cu2O薄膜的光致发光性能

4．2．6 小结

4．3 磁控溅射法制备n型ZnO薄膜及其性能研究

第五章 Cu2O-ZnO异质结的能带结构研究及电学性能测试

5．1 引言

5．2 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结能带带阶测量与能带图的研究

5．2．1 利用XPS测试异质结能带带阶的原理

5．2．2 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结的制备与XPS分析

5．2．3 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结的能带图

5．2．4 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结能带结构差异原因的探究

5．2．5 小结

5．3 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结器件的制备与I-V性能表征

5．3．1 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结器件的制备

5．3．2 Cu2O／ZnO和ZnO／Cu2O异质结的I-V性能测试

5．3．3 小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果