P型銅鐵礦結構摻雜氧化物半導體CuAlO2的制備及性能研究.pdf

1、透明導電氧化物(TCO)薄膜具良好的電導率、較高的可見光透射率等性能，因而在太陽能電池、平板顯示等光電器件領域取得廣泛應用。由于p-CuAlO2的電導率與n型TCO相比還是非常的低，限制了透明氧化物半導體器件潛在的應用，因此，制備性能優(yōu)越的p型TCO材料具有重大的意義。本文采用檸檬酸絡合的無機溶膠凝膠法制備銅鐵礦結構CuAlO2粉末，引入摻雜元素Cr、Fe、Mg及Ca，并將所制備的粉末制備成陶瓷塊體。利用差示掃描量熱分析儀、X射線衍射儀

2、、掃描電子顯微鏡、紫外可見分光光度計、半導體測試儀等分析方法對前驅體的熱分解過程、樣品的物相結構、微觀形貌、光學性能、導電性及導電機制等進行了研究，具體內容及結果如下：
　　 ⑴對干凝膠進行熱分析，表明形成CuAlO2相的溫度在1042～1084℃之間。煅燒溫度為1100℃，時間為2小時可以形成純銅鐵礦結構CuAlO2相，CuAlO2粉末平均帶隙寬度為3.75eV，CuAlO2粉末顆粒尺寸分布在50～200nm之間，EDS分析粉

3、末樣品的各元素比例為Cu：Al：O=1.18:1:241。
　　 ⑵不同壓制壓力下制備的CuAlO2陶瓷樣品，壓制壓力越大密度越大，電阻率越小，最大密度為4.56 g·cm-3，最小電阻率為37.9Ω·cm。隨燒結溫度(1140～1170℃)的升高，陶瓷樣品的密度先增大后減小。在近室溫區(qū)，陶瓷樣品電導率隨溫度變化符合Arrhenius規(guī)律，屬于熱激活導電機制，熱激活能為0.288eV，由熱探針法測量表明CuAlO2為p型半導體。

4、
　　 ⑶利用溶膠凝膠法成功將元素Cr、Fe、Mg及Ca摻入CuAlO2晶格當中，替代Al位。當分別摻雜1～7％Cr、Fe元素，仍為銅鐵礦結構，摻雜Mg、Ca元素時，會產(chǎn)生CuO、MgAl2O4及CaAl4O7雜相。表明與Al3+同為三價、電負性差較小、離子半徑相近的元素Cr3+、Fe3+，更容易替代Al3+位進入CuAlO2晶格之中。
　　 ⑷摻雜Cr、Fe的CuAlO2粉末樣品平均帶隙寬度分別為3.70eV、3.65

5、eV，隨著摻雜Mg的增加，使帶隙寬度逐漸由3.70eV減小為3.11eV。對于摻雜Ca，當摻雜量為1％時，由于產(chǎn)生的晶格畸變小，由Burstein-Moss效應，帶隙寬度比未摻雜的增大，帶隙寬度為3.78eV。
　　 ⑸摻雜Cr元素的CuAlO2陶瓷樣品電阻率比未摻雜的增大，摻雜Fe元素時隨著摻雜量的增大電阻率逐漸減小，當摻雜量為7％時，電阻率達到最小為14.81Ω·cm。隨著Mg、Ca摻雜量(1～7％)的增多，電阻率逐漸增大。