[发明专利]一种可调制带隙宽度的Fe-Si-Al系三元非晶薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调制带隙宽度的Fe-Si-Al三元非晶薄膜及其制备方法，属半导体材料技术领域。

背景技术

半导体金属硅化物是太阳能电池用材料之一，它们与单晶硅技术有极好的相容性，具有金属的导电性、 高的热稳定性、 抗氧化性以及优越的力学稳定性，同时半导体硅化物也以其优越的环境友好特性使人们产生了很大的兴趣，尤其是过渡族金属硅化物β-FeSi₂，其原料Fe、Si是既蕴藏丰富又无毒副作用，能够合成各种较为安全的器件。更为重要的是β-FeSi₂具有0.83~0.87eV直接带隙，对红外波长有着较大的光吸收系数(α > 10^-5cm^-1,1.0eV)，理论光电转换效率可达到16~23%，可以用来制备高效的太阳能电池、发光二极管、光探测器等。同时它在热电领域同样有着潜在的应用价值，可以用来制备温差发电机、热传感器等。目前在二元β-FeSi₂基础上，研究者们探索掺杂第三元素来拓展其使用性能，其中有文献报道，在β-FeSi₂中加入Al可取代部分Si的位置，能够提高β-FeSi₂的光致发光强度。而当前制备β-FeSi₂材料存在的问题如下：

（1）β-FeSi₂是一种线性化合物，在制备体材料或薄膜材料时都极易生成Fe和Si的其它中间化合物（如ε-FeSi和α-FeSi₂），出现多相混杂的状况。其晶体中还极易出现层错、孪晶等缺陷，因此很难得到高质量纯的β-FeSi₂材料。

（2）β-FeSi₂在用于光电领域时，多数以单晶Si为基制备薄膜，但存在较大的膜基失配问题，导致其很多性能未能达到理论预期。

（3）目前使用不同方法制备的二元β-FeSi₂材料，其带隙宽度在0.87eV左右变化，虽略有不同，但不能进行调制。加入第三组元后的晶态三元FeSi₂型材料则很容易出现相分离的现象，带隙宽度虽然能较大范围调制，但是增加了结构的不稳定性，使得多相混杂的状况进一步恶化。 

发明内容

本发明针对上述不足，在二元β-FeSi₂研究的基础上，用Al元素替代β-FeSi₂结构中部分的Si元素，通过调整Fe-Si-Al三元系统中(Si+Al)/Fe的比值来较大范围的调制带隙宽度。同时采用制备非晶态薄膜的方式，有效回避晶态薄膜中晶格失配及多相混杂等问题，而且非晶态能够保证成分均匀，进而保证性能稳定。本发明旨在制备一种可调制带隙宽度的Fe-Si-Al三元非晶薄膜，从而提高材料的使用性能，扩展材料的适用范围。

本发明采用的技术方案是：一种可调制带隙宽度的Fe-Si-Al系三元非晶薄膜具有如下通式：Fe_(1-x-y)Si_xAl_y，其中：50at.% ≤ x ≤ 70at.%，1at.% ≤ y ≤ 11at.%，当60at.% ≤ (x+y) ≤ 75at.%时，该非晶薄膜材料的带隙宽度从0.45eV增加到0.65eV，薄膜结构始终为非晶态。

所述的可调制带隙宽度的Fe-Si-Al系三元非晶薄膜的制备方法采用下列步骤：

（一）制备合金溅射靶材，其步骤如下：

①备料：按照Fe与Al原子百分比分别为4:0.15，4:0.5，4:1称取各组元量值，待用Fe、Al金属原料的纯度：Fe为99. 99 %，Al为99. 999%；

②合金锭的熔炼：熔炼Fe₄Al_z合金，其中z=0.15、0.5、1［或表示为Fe₄Al_z(z=0.15、0.5、1)］；将三组金属的混合料分别放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10^-2Pa，然后充入氩气至气压为0.03±0.01MPa，熔炼电流密度的控制范围为150±10A/cm²，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe₄Al_z(z=0.15、0.5、1)合金锭；