β-FeSi2型多元非晶合金的設(shè)計(jì)及表征.pdf

1、非晶FeSi2與晶態(tài)β-FeSi2相似，具有半導(dǎo)體性能，室溫下有0.89～0.90 eV的直接帶隙，且長(zhǎng)程無(wú)序狀態(tài)的非晶態(tài)β-FeSi2能有效回避晶格失配、缺陷以及多相摻雜等問(wèn)題，易于大面積生長(zhǎng)，制備工藝簡(jiǎn)單。所以非晶FeSi2有望替代晶態(tài)β-FeSi2，實(shí)現(xiàn)鐵硅化物在能源領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
　　由于非晶FeSi2光電性能強(qiáng)烈依賴于非晶態(tài)中的短程有序，本文從β-FeSi2相的基本團(tuán)簇出發(fā)，利用“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)成分，采

2、用吸鑄法制備了Fe4Si8-xMx(M=Sn、C、Al)合金棒樣品，還用磁控濺射的方法在Si(100)和Al2O3(0001)制備了Fe3M1 Six(M=B、Cr、Ni、Co)和Fe-Si-Al系薄膜樣品。旨在選擇合適的第三組元進(jìn)行合金化，考察合金化對(duì)非晶形成能力和光電性能的影響，尋找提高非晶形成能力和非晶相穩(wěn)定性的有效途徑，為非晶FeSi2的合成和應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。通過(guò)分析主要結(jié)論如下:
　　(1)由于冷卻速度不夠，鑄態(tài)合金棒

3、樣品均為晶體多相共存的狀態(tài)，添加C和Sn的樣品還出現(xiàn)了不同程度的偏析現(xiàn)象。在850℃/12h退火后，各合金棒中有較多的β相生成;且偏析的SiC有熔解跡象，如果進(jìn)一步退火，有望得到較為均勻的組織;但偏析的Sn在退火后仍團(tuán)聚在一起，說(shuō)明添加Sn來(lái)制備β相是不可行的。
　　(2)濺射態(tài)薄膜樣品均為非晶態(tài)，并且當(dāng)B、Cr和Al作為第三組元時(shí)，制備出了具有半導(dǎo)體性能的非晶薄膜，且第三組元不同，制備的非晶薄膜其帶隙變化范圍不同。在Fe3Cr1

4、Six(3.8≤x≤17.3)系薄膜中，隨著x含量的增加，即Cr含量的減少，帶隙寬度從0增加到0.65eV;在Fe3B1Six(5.4≤x≤9.9)系薄膜中，隨著x含量的增加，帶隙在0.65～0.60eV小范圍內(nèi)變化;添加Al時(shí)，帶隙在0～0.60 eV之間?；魻栃?yīng)結(jié)果表明，當(dāng)B和Al作為第三組元時(shí)，遷移率（101量級(jí)）和載流子濃度（1019～1020量級(jí)）可達(dá)到與二元β-FeSi2薄膜相近。
　　(3)對(duì)Fe3M1 Six(M

5、=B、Cr、Ni、Co)系列中部分樣品進(jìn)行850℃/4h退火處理后，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示B、Cr、Ni、Co四種元素對(duì)于退火后晶化過(guò)程的作用是不同的。相比較而言，F(xiàn)e2.7Si8.4B0.9薄膜具有單一的β相且半導(dǎo)體性能較為明顯，其電阻率為0.17Ω·cm、載流子濃度為2.8×1020 cm-3、遷移率為0.13 cm2/V·s，帶隙寬度約為0.65 eV。所以引入合適的第三組元可以擴(kuò)展β相相區(qū)，并實(shí)現(xiàn)晶態(tài)三元β型硅化物薄膜與二元β-FeS