磁控濺射BiO摻雜CdSe薄膜的特性與性能優(yōu)化研究

磁控濺射Bi、O摻雜CdSe薄膜的特性與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展中，半導(dǎo)體薄膜材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，成為了眾多研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。其中，CdSe薄膜作為一種重要的II-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜，憑借其直接帶隙約為1.7eV的特性，與太陽(yáng)光譜中的可見光波段相適配，在太陽(yáng)能電池、光探測(cè)器、光催化以及生物探針等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，受到了科研人員的廣泛關(guān)注和深入研究。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和降低成本成為了研究的關(guān)鍵目標(biāo)。CdSe薄膜由于其合適的帶隙，能夠有效地吸收太陽(yáng)光中的可見光部分，為提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提供了可能。通過(guò)構(gòu)建基于CdSe薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池或光電化學(xué)太陽(yáng)能電池，可以充分利用其光電特性，實(shí)現(xiàn)光能到電能的高效轉(zhuǎn)換。然而，目前CdSe薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍有待提高，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。在光探測(cè)器領(lǐng)域，CdSe薄膜對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有良好的響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的光探測(cè)器。在生物醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及通信等領(lǐng)域，對(duì)光探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度提出了越來(lái)越高的要求。CdSe薄膜光探測(cè)器有望滿足這些需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的快速、準(zhǔn)確探測(cè)。在光催化領(lǐng)域，CdSe薄膜能夠利用光能激發(fā)電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化還原能力的活性物種，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物的降解、水的分解制氫以及二氧化碳的還原等光催化反應(yīng)。這為解決環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題提供了新的途徑和方法。盡管CdSe薄膜具有上述優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用中，其性能仍受到一些因素的限制。例如，CdSe薄膜的本征缺陷和雜質(zhì)會(huì)影響其電學(xué)和光學(xué)性能，導(dǎo)致載流子遷移率低、復(fù)合率高，從而降低了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光探測(cè)器的靈敏度。為了克服這些問(wèn)題，對(duì)CdSe薄膜進(jìn)行摻雜是一種有效的手段。通過(guò)引入特定的雜質(zhì)原子，可以調(diào)控CdSe薄膜的電學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，改善其載流子輸運(yùn)特性，降低缺陷密度，提高薄膜的穩(wěn)定性和性能。在眾多摻雜元素中，Bi和O具有獨(dú)特的性質(zhì)，能夠?yàn)镃dSe薄膜帶來(lái)新的性能優(yōu)勢(shì)。Bi是一種具有多個(gè)價(jià)態(tài)的元素，其外層電子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在CdSe薄膜中引入Bi原子后，Bi可以通過(guò)與CdSe晶格中的原子相互作用，改變薄膜的電子結(jié)構(gòu)和能帶分布。一方面，Bi的摻雜可以引入新的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)可以作為載流子的陷阱或發(fā)射中心，調(diào)節(jié)載流子的濃度和分布，從而改善薄膜的電學(xué)性能。另一方面，Bi的存在可能會(huì)影響CdSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)取向，進(jìn)而影響其光學(xué)性能。例如，Bi的摻雜可能會(huì)導(dǎo)致CdSe薄膜的晶格畸變，改變其禁帶寬度，從而使薄膜對(duì)光的吸收和發(fā)射特性發(fā)生變化。O元素在半導(dǎo)體材料中通常起到鈍化缺陷和改善界面性能的作用。在CdSe薄膜中，O的摻雜可以與薄膜中的本征缺陷（如鎘空位、硒空位等）結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的化合物，從而減少缺陷對(duì)載流子的散射和復(fù)合作用，提高載流子的遷移率和壽命。此外，O的摻雜還可以改善CdSe薄膜與其他材料（如電極材料、襯底材料等）之間的界面質(zhì)量，增強(qiáng)界面的粘附性和穩(wěn)定性，有利于提高器件的整體性能。除了摻雜之外，薄膜的制備方法也對(duì)其性能有著至關(guān)重要的影響。磁控濺射技術(shù)作為一種常用的物理氣相沉積方法，在制備高質(zhì)量薄膜方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。磁控濺射過(guò)程中，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下，氬離子被加速轟擊靶材，使靶材表面的原子或分子獲得足夠的能量而濺射出來(lái)，并沉積在襯底表面形成薄膜。這種方法能夠精確控制薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)，制備出的薄膜具有高純度、高均勻性和良好的附著力。與其他薄膜制備方法（如化學(xué)氣相沉積、真空蒸發(fā)、化學(xué)浴沉積等）相比，磁控濺射技術(shù)具有沉積速率快、可重復(fù)性好、能夠制備大面積薄膜等優(yōu)點(diǎn)，更適合于工業(yè)化生產(chǎn)。通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備Bi、O摻雜的CdSe薄膜，可以充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，精確控制摻雜元素的含量和分布，從而獲得性能優(yōu)異的薄膜材料。綜上所述，研究磁控濺射Bi、O摻雜的CdSe薄膜的特性具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入研究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能的影響機(jī)制，有助于揭示半導(dǎo)體薄膜材料的摻雜效應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，豐富和完善半導(dǎo)體材料的理論體系。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化薄膜的制備工藝和摻雜條件，獲得高性能的Bi、O摻雜CdSe薄膜，將為其在太陽(yáng)能電池、光探測(cè)器、光催化等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于解決能源、環(huán)境等全球性問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在CdSe薄膜的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量工作，涵蓋了制備方法、摻雜改性以及性能表征等多個(gè)方面。在制備方法上，磁控濺射技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注。國(guó)外方面，一些研究團(tuán)隊(duì)利用磁控濺射技術(shù)制備CdSe薄膜，深入探究了濺射功率、氣壓、靶基距以及襯底溫度等工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，濺射功率的提高可加快沉積速率，但過(guò)高功率會(huì)導(dǎo)致薄膜應(yīng)力增加、結(jié)晶質(zhì)量下降；合適的濺射氣壓能保證薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面光滑度，氣壓過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)薄膜性能產(chǎn)生不利影響。通過(guò)優(yōu)化這些工藝參數(shù)，能夠精確調(diào)控薄膜的生長(zhǎng)，獲得高質(zhì)量的CdSe薄膜。國(guó)內(nèi)對(duì)于磁控濺射制備CdSe薄膜也進(jìn)行了諸多研究。有研究人員通過(guò)調(diào)整濺射工藝，成功制備出具有良好晶體結(jié)構(gòu)和光電性能的CdSe薄膜，并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能電池和光探測(cè)器等器件的制備中。還有學(xué)者嘗試采用新型的磁控濺射設(shè)備和工藝，如多靶磁控濺射、射頻磁控濺射等，以進(jìn)一步提高薄膜的質(zhì)量和性能。這些研究為磁控濺射技術(shù)在CdSe薄膜制備中的應(yīng)用提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和理論支持。在摻雜研究方面，國(guó)外對(duì)CdSe薄膜的摻雜研究起步較早，涉及多種摻雜元素。例如，對(duì)Bi摻雜的研究發(fā)現(xiàn)，Bi的引入能夠改變CdSe薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，在禁帶中引入新的雜質(zhì)能級(jí)，從而影響載流子的傳輸和復(fù)合過(guò)程，進(jìn)而改善薄膜的電學(xué)性能。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，Bi的摻雜濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)聚集，形成缺陷，反而降低薄膜的性能。對(duì)于O摻雜，研究表明O可以有效鈍化薄膜中的缺陷，提高載流子的壽命和遷移率，從而提升薄膜的光電性能。國(guó)內(nèi)在CdSe薄膜摻雜領(lǐng)域也取得了一定的成果。有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了Bi、O共摻雜對(duì)CdSe薄膜結(jié)構(gòu)和性能的協(xié)同影響。發(fā)現(xiàn)Bi、O共摻雜可以在優(yōu)化薄膜電學(xué)性能的同時(shí)，進(jìn)一步改善其光學(xué)性能，提高薄膜對(duì)光的吸收和發(fā)射效率。還有學(xué)者探索了不同的摻雜方式和工藝，如原位摻雜、非原位摻雜等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)摻雜元素分布和濃度的精確控制，從而獲得性能更優(yōu)的摻雜CdSe薄膜。盡管國(guó)內(nèi)外在磁控濺射制備CdSe薄膜以及摻雜改性方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)于Bi、O摻雜在CdSe薄膜中的微觀作用機(jī)制，尚未完全明確，特別是Bi、O與CdSe晶格之間的相互作用，以及它們?nèi)绾斡绊懕∧さ碾娮咏Y(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，還需要進(jìn)一步深入研究。另一方面，在磁控濺射制備工藝中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度、成分和結(jié)構(gòu)的更加精確控制，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)薄膜性能的嚴(yán)格要求，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。此外，目前關(guān)于Bi、O摻雜CdSe薄膜在實(shí)際器件中的應(yīng)用研究還相對(duì)較少，如何將實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，推動(dòng)相關(guān)器件的性能提升和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，也是未來(lái)研究的重要方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于磁控濺射Bi、O摻雜的CdSe薄膜特性，主要內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面：薄膜制備工藝研究：利用磁控濺射技術(shù)，以CdSe為靶材，通過(guò)精確控制濺射功率、濺射氣壓、靶基距、襯底溫度等工藝參數(shù)，在特定襯底上制備未摻雜的CdSe薄膜。在此基礎(chǔ)上，引入Bi和O摻雜源，研究不同摻雜濃度（如Bi的原子百分比分別為0.5%、1%、1.5%等，O的含量通過(guò)控制氧氣流量來(lái)調(diào)節(jié)）對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響，探索出最佳的制備工藝條件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度、成分和結(jié)構(gòu)的精確控制。薄膜結(jié)構(gòu)分析：運(yùn)用X射線衍射（XRD）技術(shù)，精確測(cè)定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和結(jié)晶取向，分析Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響，判斷是否產(chǎn)生新的物相。借助掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM），直觀觀察薄膜的表面形貌、截面結(jié)構(gòu)以及晶粒尺寸和分布，深入探究摻雜對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制。薄膜電學(xué)性能測(cè)試：采用范德堡法測(cè)量薄膜的電阻率、載流子濃度和遷移率，研究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜電學(xué)性能的影響規(guī)律。利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，分析薄膜的霍爾系數(shù)和霍爾遷移率，進(jìn)一步揭示摻雜后薄膜中載流子的傳輸特性和散射機(jī)制。薄膜光學(xué)性能研究：通過(guò)紫外-可見分光光度計(jì)，測(cè)量薄膜在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收系數(shù)和透過(guò)率，研究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜光學(xué)帶隙的影響。利用光致發(fā)光光譜（PL）測(cè)試，分析薄膜的發(fā)光特性，探究摻雜對(duì)薄膜中電子-空穴復(fù)合過(guò)程的影響，從而揭示摻雜與光學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜性能的影響機(jī)制研究：綜合運(yùn)用XRD、SEM、TEM、電學(xué)和光學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，深入分析Bi、O摻雜在CdSe薄膜中的微觀作用機(jī)制。通過(guò)理論計(jì)算（如第一性原理計(jì)算），從原子和電子層面探討B(tài)i、O與CdSe晶格之間的相互作用，以及它們?nèi)绾斡绊懕∧さ碾娮咏Y(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)和能帶分布，進(jìn)而影響薄膜的電學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能。1.3.2研究方法本研究將采用多種實(shí)驗(yàn)和分析方法，以確保研究的全面性和準(zhǔn)確性：磁控濺射技術(shù)：利用磁控濺射設(shè)備，在高真空環(huán)境下，通過(guò)氬離子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來(lái)并沉積在襯底上形成薄膜。通過(guò)精確控制濺射過(guò)程中的各項(xiàng)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)的精確調(diào)控。X射線衍射（XRD）：通過(guò)測(cè)量X射線在薄膜中的衍射角度和強(qiáng)度，分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。XRD圖譜可用于確定薄膜的晶格常數(shù)、結(jié)晶取向以及是否存在雜質(zhì)相，為研究薄膜的結(jié)構(gòu)特性提供重要依據(jù)。掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）：SEM用于觀察薄膜的表面形貌和截面結(jié)構(gòu)，獲取薄膜的表面粗糙度、顆粒尺寸和分布等信息。TEM則能夠提供更高分辨率的微觀結(jié)構(gòu)圖像，用于研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷和界面結(jié)構(gòu)等，深入揭示薄膜的微觀特征。范德堡法和霍爾效應(yīng)測(cè)試：范德堡法用于測(cè)量薄膜的電阻率、載流子濃度和遷移率，通過(guò)在薄膜上施加電流和磁場(chǎng)，測(cè)量產(chǎn)生的電壓，從而計(jì)算出相關(guān)電學(xué)參數(shù)?；魻栃?yīng)測(cè)試則進(jìn)一步分析薄膜的霍爾系數(shù)和霍爾遷移率，幫助理解載流子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)行為和散射機(jī)制。紫外-可見分光光度計(jì)和光致發(fā)光光譜（PL）：紫外-可見分光光度計(jì)用于測(cè)量薄膜對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收和透過(guò)特性，通過(guò)分析吸收光譜和透過(guò)光譜，確定薄膜的光學(xué)帶隙和光吸收能力。PL測(cè)試則通過(guò)激發(fā)薄膜中的電子，使其躍遷到高能級(jí)，然后測(cè)量電子躍遷回低能級(jí)時(shí)發(fā)射的光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)，研究薄膜的發(fā)光特性和電子-空穴復(fù)合過(guò)程。理論計(jì)算方法：采用第一性原理計(jì)算等理論方法，基于量子力學(xué)原理，對(duì)Bi、O摻雜的CdSe薄膜的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和缺陷形成能等進(jìn)行計(jì)算和模擬。通過(guò)理論計(jì)算，深入理解摻雜原子與CdSe晶格之間的相互作用，以及這種作用對(duì)薄膜性能的影響機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論支持和解釋。二、磁控濺射技術(shù)與CdSe薄膜基礎(chǔ)2.1磁控濺射技術(shù)原理與特點(diǎn)2.1.1磁控濺射原理磁控濺射技術(shù)是一種常用的物理氣相沉積（PVD）方法，其基本原理是在高真空環(huán)境下，利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜的制備。在磁控濺射系統(tǒng)中，通常將待沉積的材料制成靶材，放置在陰極位置，而基片則放置在陽(yáng)極位置。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)充入適量的惰性氣體（如氬氣Ar）后，在陰極和陽(yáng)極之間施加直流電壓或射頻電壓，形成電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，氬氣分子被電離，產(chǎn)生氬離子（Ar+）和電子。氬離子在電場(chǎng)的加速下，高速轟擊靶材表面。由于離子具有較高的能量，當(dāng)它們撞擊靶材原子時(shí)，會(huì)使靶材原子獲得足夠的動(dòng)能，從而脫離靶材表面，以濺射的方式發(fā)射出來(lái)。這些濺射出來(lái)的靶材原子在空間中飛行，并最終沉積在基片表面，逐漸形成薄膜。為了提高濺射效率和薄膜質(zhì)量，磁控濺射技術(shù)引入了磁場(chǎng)。在靶材表面附近，設(shè)置一個(gè)與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)，通常由永久磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生。電子在電場(chǎng)中受到加速作用，同時(shí)又受到磁場(chǎng)的洛倫茲力作用。在洛倫茲力的影響下，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲，不再是直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋狀運(yùn)動(dòng)。這種螺旋運(yùn)動(dòng)使得電子的運(yùn)動(dòng)路徑大大延長(zhǎng)，增加了電子與氬氣分子的碰撞幾率。電子與氬氣分子碰撞時(shí)，會(huì)使氬氣分子進(jìn)一步電離，產(chǎn)生更多的氬離子，從而提高了等離子體的密度。由于等離子體密度的增加，更多的氬離子能夠轟擊靶材，使得濺射產(chǎn)額提高，即單位時(shí)間內(nèi)從靶材表面濺射出的原子數(shù)量增加。同時(shí)，電子在磁場(chǎng)中的約束運(yùn)動(dòng)，減少了電子對(duì)基片的直接轟擊，降低了基片的溫升，有利于制備高質(zhì)量的薄膜。此外，通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以精確控制電子的運(yùn)動(dòng)軌跡和等離子體的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜沉積速率、成分和結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。例如，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，電子受到的洛倫茲力增大，電子的螺旋運(yùn)動(dòng)半徑減小，電子在靶材附近的停留時(shí)間增加，等離子體密度進(jìn)一步提高，濺射速率加快。相反，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)較為自由，等離子體密度降低，濺射速率也會(huì)相應(yīng)下降。通過(guò)合理調(diào)整磁場(chǎng)參數(shù)，可以在保證薄膜質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)不同的沉積速率要求，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.1.2磁控濺射設(shè)備與工藝參數(shù)磁控濺射設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、濺射系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及基片加熱與冷卻系統(tǒng)等部分組成。真空系統(tǒng)是磁控濺射設(shè)備的重要組成部分，其作用是為濺射過(guò)程提供高真空環(huán)境，以減少氣體分子對(duì)濺射原子的散射和污染，提高薄膜的純度和質(zhì)量。真空系統(tǒng)通常包括機(jī)械泵、分子泵、真空閥門以及真空測(cè)量?jī)x表等。機(jī)械泵用于初步抽氣，將真空室內(nèi)的氣壓降低到一定程度，然后分子泵接力工作，進(jìn)一步將氣壓降低到所需的高真空水平。真空閥門用于控制氣體的進(jìn)出和真空室的隔離，真空測(cè)量?jī)x表則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空室內(nèi)的氣壓，確保濺射過(guò)程在合適的真空條件下進(jìn)行。濺射系統(tǒng)是磁控濺射設(shè)備的核心部分，它主要由靶材、濺射電源、磁場(chǎng)發(fā)生裝置等組成。靶材是待沉積薄膜的材料來(lái)源，根據(jù)所需薄膜的成分和性能要求，可以選擇不同的靶材，如金屬靶材、合金靶材、半導(dǎo)體靶材以及陶瓷靶材等。濺射電源為濺射過(guò)程提供能量，常見的濺射電源有直流電源、射頻電源和中頻電源等。直流電源適用于導(dǎo)電性能良好的金屬靶材，通過(guò)直流電壓使氬離子轟擊靶材；射頻電源則可以用于絕緣靶材的濺射，通過(guò)射頻電場(chǎng)激發(fā)等離子體；中頻電源在處理某些特殊材料或需要提高濺射穩(wěn)定性和薄膜均勻性時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生與電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)，用于約束電子的運(yùn)動(dòng)，提高等離子體密度和濺射效率，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以根據(jù)工藝需求進(jìn)行調(diào)整。氣體供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向真空室內(nèi)提供濺射所需的氣體，主要是惰性氣體氬氣，有時(shí)也會(huì)根據(jù)需要通入反應(yīng)氣體，如氧氣、氮?dú)獾?，用于制備化合物薄膜。氣體的流量和壓力可以通過(guò)質(zhì)量流量控制器和壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行精確控制，以確保濺射過(guò)程的穩(wěn)定性和薄膜成分的準(zhǔn)確性?？刂葡到y(tǒng)用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)整個(gè)磁控濺射過(guò)程，包括真空度、濺射功率、氣體流量、基片溫度等工藝參數(shù)的設(shè)置和控制。先進(jìn)的控制系統(tǒng)通常采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面方便地輸入各種工藝參數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濺射過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜制備過(guò)程的精確調(diào)控。基片加熱與冷卻系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求對(duì)基片進(jìn)行加熱或冷卻。在一些情況下，適當(dāng)提高基片溫度可以促進(jìn)薄膜原子在基片表面的擴(kuò)散和遷移，有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和附著力；而在另一些情況下，為了避免基片因受熱而發(fā)生變形或損壞，需要對(duì)基片進(jìn)行冷卻。通過(guò)精確控制基片的溫度，可以滿足不同薄膜制備工藝對(duì)基片溫度的要求。磁控濺射的工藝參數(shù)眾多，這些參數(shù)對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能有著重要影響。以下是一些主要的工藝參數(shù)及其影響：濺射氣壓：濺射氣壓是指真空室內(nèi)的氣體壓力，它對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度和致密度等性能有顯著影響。當(dāng)氣壓過(guò)高時(shí)，氣體電離程度提高，但濺射原子在到達(dá)襯底前與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，能量損失較大，導(dǎo)致到達(dá)襯底后遷移能力受限，結(jié)晶質(zhì)量變差，薄膜可能呈現(xiàn)出非晶態(tài)或結(jié)晶不完整的狀態(tài)。同時(shí)，過(guò)高的氣壓會(huì)使濺射原子以不均勻的方式到達(dá)襯底，導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加，致密度降低。相反，當(dāng)氣壓過(guò)低時(shí)，氣體電離困難，難以發(fā)生濺射起輝效果，沉積速率極低，無(wú)法形成連續(xù)的薄膜。因此，需要選擇合適的濺射氣壓，以保證濺射粒子有足夠的能量到達(dá)襯底并進(jìn)行良好的結(jié)晶，使薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量、表面光滑度和致密度。例如，在制備CdSe薄膜時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)濺射氣壓在0.5-1.5Pa范圍內(nèi)，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌較好。濺射功率：濺射功率直接影響靶材表面受到的氬離子轟擊能量，從而影響沉積速率、薄膜結(jié)構(gòu)和應(yīng)力等性能。隨著濺射功率的增加，靶材表面受到的氬離子轟擊能量增強(qiáng)，濺射產(chǎn)額提高，沉積速率加快。然而，當(dāng)濺射功率過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致靶材表面過(guò)熱，甚至出現(xiàn)靶材“中毒”現(xiàn)象（對(duì)于反應(yīng)濺射，當(dāng)反應(yīng)氣體與靶材反應(yīng)生成的化合物在靶材表面積累，阻礙濺射過(guò)程，導(dǎo)致濺射速率急劇下降的現(xiàn)象），反而會(huì)影響沉積速率的穩(wěn)定性。此外，濺射功率還會(huì)影響薄膜的結(jié)構(gòu)。在低濺射功率下，濺射原子到達(dá)襯底的能量較低，原子的遷移能力較弱，薄膜的晶粒尺寸較小，可能形成多晶或非晶結(jié)構(gòu)；而在高濺射功率下，原子的能量較高，遷移和擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于晶粒的生長(zhǎng)和結(jié)晶，薄膜可能呈現(xiàn)出較大的晶粒尺寸和較好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。但高濺射功率下沉積的薄膜應(yīng)力也較大，這是因?yàn)榭焖俚某练e過(guò)程中，薄膜中的原子來(lái)不及充分調(diào)整位置，導(dǎo)致應(yīng)力積累。例如，在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濺射功率從50W增加到100W時(shí)，CdSe薄膜的沉積速率明顯提高，但薄膜的應(yīng)力也隨之增大。靶基距：靶基距是指靶材表面與基片表面之間的距離，它對(duì)沉積速率和薄膜均勻性有重要影響。靶基距過(guò)大時(shí)，濺射原子在飛行過(guò)程中與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，能量損失嚴(yán)重，到達(dá)襯底的濺射原子數(shù)量減少，沉積速率降低。同時(shí)，由于濺射原子的能量和角度分布變得更加分散，會(huì)導(dǎo)致薄膜厚度在基板表面上的分布不均勻，形成厚度不均勻的薄膜，邊緣效應(yīng)也會(huì)增強(qiáng)。相反，靶基距過(guò)小，雖然濺射原子的能量損失較小，但由于濺射原子的分布過(guò)于集中，也會(huì)影響沉積速率的均勻性。因此，需要根據(jù)具體的工藝要求，選擇合適的靶基距，以確保濺射速率和薄膜厚度達(dá)到理想平衡。例如，在制備大面積均勻的CdSe薄膜時(shí)，靶基距一般控制在5-10cm之間。襯底溫度：襯底溫度對(duì)薄膜的結(jié)晶性和附著力有重要影響。當(dāng)襯底溫度較低時(shí)，濺射原子在襯底表面的擴(kuò)散能力較弱，原子來(lái)不及進(jìn)行有序排列，薄膜容易形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)。隨著襯底溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，薄膜的結(jié)晶性提高，晶粒尺寸增大，結(jié)晶更加完整。此外，適當(dāng)提高襯底溫度，能夠增強(qiáng)薄膜與襯底之間的附著力。這是因?yàn)楦邷叵?，薄膜和襯底之間的界面處原子的相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，形成了更牢固的結(jié)合。但如果襯底溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)差異增大，產(chǎn)生熱應(yīng)力，反而會(huì)降低附著力。例如，在制備CdSe薄膜時(shí)，將襯底溫度控制在200-300℃范圍內(nèi)，可以獲得結(jié)晶性良好且附著力較強(qiáng)的薄膜。濺射氣體：濺射氣體的種類和流量會(huì)影響濺射過(guò)程中靶材原子與氣體分子的反應(yīng)，從而改變薄膜的成分和性能。常用的濺射氣體是氬氣，它是一種惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與靶材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但在一些情況下，為了制備化合物薄膜，需要通入反應(yīng)氣體，如氧氣、氮?dú)獾取＠纾跒R射金屬靶材時(shí)，如果通入氧氣，金屬原子與氧原子反應(yīng)，可在薄膜中形成金屬氧化物；如果通入氮?dú)?，則可能形成金屬氮化物。此外，濺射氣體的壓力和流量還會(huì)影響濺射原子的能量和數(shù)量，進(jìn)而影響薄膜的性能。氣體流量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致濺射原子的能量降低，影響薄膜的結(jié)晶性和致密度；氣體流量過(guò)小時(shí)，可能會(huì)使濺射過(guò)程不穩(wěn)定，影響薄膜的均勻性。2.2CdSe薄膜的性質(zhì)與應(yīng)用2.2.1CdSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)CdSe薄膜作為一種重要的半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)對(duì)其物理性質(zhì)起著決定性作用。CdSe具有兩種主要的晶體結(jié)構(gòu)，即立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。在立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，Cd原子和Se原子以面心立方晶格排列，每個(gè)Cd原子被四個(gè)Se原子以四面體配位方式包圍，反之亦然。這種結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)a約為0.608nm。而在六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，Cd和Se原子按照六方密堆積方式排列，其晶格常數(shù)a約為0.429nm，c約為0.701nm。這兩種晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)導(dǎo)致CdSe薄膜在電學(xué)、光學(xué)等性能上表現(xiàn)出不同的特性。在實(shí)際制備的CdSe薄膜中，晶體結(jié)構(gòu)的形成受到多種因素的影響，如制備方法、襯底材料、沉積溫度等。例如，采用化學(xué)浴沉積法制備的CdSe薄膜，在較低的沉積溫度下，通常會(huì)形成立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)；而當(dāng)沉積溫度升高時(shí)，薄膜可能會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱嚼w鋅礦結(jié)構(gòu)。磁控濺射法制備CdSe薄膜時(shí)，通過(guò)調(diào)整濺射參數(shù)，如濺射功率、襯底溫度等，可以控制薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。較高的濺射功率和適當(dāng)?shù)囊r底溫度有利于形成結(jié)晶質(zhì)量較好的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而較低的濺射功率和襯底溫度則可能導(dǎo)致立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的形成。從原子層面來(lái)看，晶體結(jié)構(gòu)的不同會(huì)影響CdSe薄膜的電子云分布和原子間的相互作用。在立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，原子間的鍵長(zhǎng)和鍵角相對(duì)較為規(guī)整，電子云分布較為均勻；而在六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，原子的排列具有一定的方向性，導(dǎo)致電子云分布在不同方向上存在差異。這種電子云分布的差異會(huì)影響薄膜的電學(xué)性能，如載流子遷移率和電導(dǎo)率等。CdSe薄膜的電學(xué)性質(zhì)是其重要的性能指標(biāo)之一，對(duì)其在光電器件中的應(yīng)用具有關(guān)鍵影響。在本征狀態(tài)下，CdSe薄膜是一種半導(dǎo)體材料，其電學(xué)性質(zhì)主要由本征載流子（電子和空穴）的濃度和遷移率決定。CdSe的本征載流子濃度較低，在室溫下約為10^10-10^12cm^-3。這是因?yàn)镃dSe的禁帶寬度相對(duì)較大，約為1.7eV（立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)）或1.74eV（六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)），在室溫下，熱激發(fā)產(chǎn)生的本征載流子數(shù)量較少。載流子遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的重要參數(shù)之一，它反映了載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)能力。CdSe薄膜的載流子遷移率受到多種因素的影響，包括晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)、缺陷以及溫度等。一般來(lái)說(shuō)，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的CdSe薄膜具有較高的載流子遷移率，這是由于其晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得電子在其中的散射幾率相對(duì)較小。在理想情況下，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的CdSe薄膜的電子遷移率可達(dá)到100-500cm^2/(V?s)，空穴遷移率相對(duì)較低，約為1-10cm^2/(V?s)。然而，在實(shí)際制備的薄膜中，由于存在各種雜質(zhì)和缺陷，載流子遷移率往往會(huì)低于理論值。雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)對(duì)CdSe薄膜的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。例如，薄膜中的雜質(zhì)原子（如氧、氮等）可能會(huì)引入額外的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)可以作為載流子的陷阱或散射中心，從而降低載流子的遷移率和壽命。此外，晶體缺陷（如位錯(cuò)、空位等）也會(huì)破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)，進(jìn)而降低載流子遷移率。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如采用高純度的原料、精確控制沉積條件等，可以減少雜質(zhì)和缺陷的含量，提高CdSe薄膜的電學(xué)性能。溫度對(duì)CdSe薄膜的電學(xué)性質(zhì)也有重要影響。隨著溫度的升高，本征載流子濃度會(huì)增加，這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使更多的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶。然而，溫度升高也會(huì)導(dǎo)致晶格振動(dòng)加劇，載流子與晶格振動(dòng)的相互作用增強(qiáng)，從而使載流子散射幾率增大，遷移率降低。在一定溫度范圍內(nèi)，載流子濃度的增加對(duì)電導(dǎo)率的影響可能會(huì)超過(guò)遷移率降低的影響，導(dǎo)致電導(dǎo)率隨溫度升高而增加；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，遷移率的降低可能會(huì)主導(dǎo)電導(dǎo)率的變化，使電導(dǎo)率隨溫度升高而下降。2.2.2CdSe薄膜在光電器件中的應(yīng)用CdSe薄膜由于其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景，以下將詳細(xì)介紹其在太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器中的應(yīng)用及工作原理。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，CdSe薄膜作為一種重要的光吸收材料，被廣泛應(yīng)用于多種類型的太陽(yáng)能電池中。其中，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池（QDSSC）是一種基于CdSe量子點(diǎn)的新型太陽(yáng)能電池，它利用量子點(diǎn)的量子尺寸效應(yīng)和光吸收特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)光的高效捕獲和光電轉(zhuǎn)換。在QDSSC中，CdSe量子點(diǎn)被吸附在納米結(jié)構(gòu)的TiO2電極表面，形成光陽(yáng)極。當(dāng)太陽(yáng)光照射到光陽(yáng)極時(shí)，CdSe量子點(diǎn)吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于量子點(diǎn)與TiO2之間存在能級(jí)匹配，電子可以迅速注入到TiO2的導(dǎo)帶中，并通過(guò)外電路傳輸，形成光電流；而空穴則被留在量子點(diǎn)中，通過(guò)電解質(zhì)傳輸?shù)綄?duì)電極，完成電荷的循環(huán)。這種電池結(jié)構(gòu)具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其光電轉(zhuǎn)換效率仍有待提高。另一種基于CdSe薄膜的太陽(yáng)能電池是CdSe/CdTe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。在這種電池中，CdSe薄膜作為窗口層，CdTe薄膜作為吸收層。CdSe的禁帶寬度相對(duì)較大，能夠有效地透過(guò)太陽(yáng)光中的高能光子，同時(shí)阻擋低能光子，減少對(duì)CdTe吸收層的影響；而CdTe具有合適的禁帶寬度（約1.45eV），能夠充分吸收太陽(yáng)光中的可見光部分，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在CdSe/CdTe異質(zhì)結(jié)界面處，由于兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)差異，形成了內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光生載流子（電子和空穴）擴(kuò)散到異質(zhì)結(jié)界面時(shí)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴被分離并分別向相反的方向移動(dòng)，從而形成光電流。通過(guò)優(yōu)化CdSe和CdTe薄膜的制備工藝、界面質(zhì)量以及器件結(jié)構(gòu)，可以提高CdSe/CdTe異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。目前，該類型太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。在光電探測(cè)器領(lǐng)域，CdSe薄膜同樣發(fā)揮著重要作用。CdSe薄膜光電探測(cè)器主要基于其光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)工作。光電導(dǎo)型CdSe薄膜探測(cè)器的工作原理是：當(dāng)光照射到CdSe薄膜上時(shí)，光子被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些光生載流子增加了薄膜的電導(dǎo)率，使得通過(guò)薄膜的電流發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電流的變化，可以檢測(cè)光的強(qiáng)度和變化。這種類型的探測(cè)器響應(yīng)速度較快，適用于快速變化的光信號(hào)檢測(cè)。光伏型CdSe薄膜探測(cè)器則是利用光生伏特效應(yīng)工作。在這種探測(cè)器中，通常在CdSe薄膜上制備金屬電極，形成肖特基結(jié)或p-n結(jié)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被分離，分別向不同的電極移動(dòng)，從而在電極之間產(chǎn)生光生電壓。通過(guò)測(cè)量光生電壓的大小，可以確定光的強(qiáng)度和能量。光伏型CdSe薄膜探測(cè)器具有較高的靈敏度和較低的噪聲，適用于微弱光信號(hào)的檢測(cè)。例如，在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，需要高靈敏度的光電探測(cè)器來(lái)檢測(cè)微弱的熒光信號(hào)。CdSe薄膜光電探測(cè)器由于其對(duì)特定波長(zhǎng)光的高響應(yīng)特性，可以用于檢測(cè)生物分子標(biāo)記的熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本的高分辨率成像。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，CdSe薄膜探測(cè)器可以用于檢測(cè)大氣中的有害氣體分子，通過(guò)檢測(cè)這些分子吸收光后產(chǎn)生的光信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備過(guò)程3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)旨在研究磁控濺射Bi、O摻雜的CdSe薄膜特性，實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備的選擇與實(shí)驗(yàn)?zāi)康木o密相關(guān)，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)材料方面，選用高純度的CdSe靶材作為薄膜生長(zhǎng)的主要原料，其純度高達(dá)99.99%，以確保薄膜的本征性能不受雜質(zhì)過(guò)多干擾。在摻雜元素引入上，采用純度為99.9%的鉍（Bi）顆粒作為鉍源，通過(guò)精確控制其蒸發(fā)速率實(shí)現(xiàn)Bi元素在CdSe薄膜中的均勻摻雜。對(duì)于氧源，實(shí)驗(yàn)中采用純度為99.99%的氧氣（O?）氣體，利用質(zhì)量流量控制器精準(zhǔn)調(diào)節(jié)氧氣流量，從而控制氧在薄膜中的摻雜量。襯底材料選擇了表面光滑、平整度高的玻璃片和硅片。玻璃片具有良好的光學(xué)透明性，便于后續(xù)對(duì)薄膜光學(xué)性能的測(cè)試；硅片則因其與半導(dǎo)體材料的兼容性以及良好的電學(xué)性能，常用于電學(xué)性能測(cè)試。在使用前，對(duì)玻璃片和硅片進(jìn)行嚴(yán)格的清洗處理，依次用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水在超聲波清洗機(jī)中清洗15分鐘，以去除表面的油污、灰塵和其他雜質(zhì)，保證襯底表面的潔凈，有利于薄膜的均勻生長(zhǎng)和良好附著。實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)薄膜制備和性能測(cè)試的關(guān)鍵工具。本實(shí)驗(yàn)采用的是[具體型號(hào)]磁控濺射設(shè)備，該設(shè)備配備了直流濺射電源和射頻濺射電源，可根據(jù)不同靶材的特性選擇合適的濺射方式。其中，直流濺射電源用于CdSe靶材的濺射，其輸出功率穩(wěn)定，可在0-200W范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，以精確控制濺射過(guò)程中靶材表面的能量輸入。射頻濺射電源則用于引入Bi和O元素，能夠有效避免絕緣靶材（如Bi顆粒在濺射過(guò)程中可能形成的絕緣狀態(tài)）表面電荷積累問(wèn)題，確保濺射過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。設(shè)備的真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和分子泵組成，可將真空室內(nèi)的氣壓降低至5×10??Pa以下，為薄膜制備提供高真空環(huán)境，減少氣體分子對(duì)濺射原子的散射和污染，提高薄膜的純度和質(zhì)量。氣體供應(yīng)系統(tǒng)配備了高精度的質(zhì)量流量控制器，能夠精確控制氬氣（Ar）、氧氣等氣體的流量，其流量控制精度可達(dá)±0.1sccm，確保了濺射過(guò)程中氣體比例的準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證薄膜成分的精確控制。基片加熱與冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)襯底溫度在室溫-500℃范圍內(nèi)的精確控制，通過(guò)調(diào)節(jié)襯底溫度，可以研究其對(duì)薄膜生長(zhǎng)和性能的影響。為了對(duì)制備的薄膜進(jìn)行全面的性能表征，還使用了一系列分析測(cè)試設(shè)備。利用X射線衍射儀（XRD，[具體型號(hào)]）分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和相組成，其采用CuKα輻射源，波長(zhǎng)為0.15406nm，掃描范圍為20°-80°，掃描步長(zhǎng)為0.02°，能夠精確測(cè)定薄膜的晶格常數(shù)、結(jié)晶取向以及是否存在雜質(zhì)相。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM，[具體型號(hào)]）觀察薄膜的表面形貌和截面結(jié)構(gòu)，其分辨率可達(dá)1nm，可獲取薄膜的表面粗糙度、顆粒尺寸和分布等信息。使用透射電子顯微鏡（TEM，[具體型號(hào)]）進(jìn)一步研究薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，其加速電壓為200kV，能夠提供更高分辨率的微觀結(jié)構(gòu)圖像，用于分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷和界面結(jié)構(gòu)等。采用范德堡法測(cè)量薄膜的電阻率、載流子濃度和遷移率，使用的測(cè)試系統(tǒng)（[具體型號(hào)]）具有高精度的電流和電壓測(cè)量功能，可確保電學(xué)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)（[具體型號(hào)]）分析薄膜的霍爾系數(shù)和霍爾遷移率，深入研究載流子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)行為和散射機(jī)制。利用紫外-可見分光光度計(jì)（[具體型號(hào)]）測(cè)量薄膜在200-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收系數(shù)和透過(guò)率，以研究薄膜的光學(xué)帶隙和光吸收特性。采用光致發(fā)光光譜儀（PL，[具體型號(hào)]）分析薄膜的發(fā)光特性，其激發(fā)光源為325nm的He-Cd激光器，可研究薄膜中電子-空穴復(fù)合過(guò)程以及摻雜對(duì)發(fā)光性能的影響。3.2磁控濺射制備Bi、O摻雜CdSe薄膜的工藝3.2.1基片預(yù)處理基片的預(yù)處理是磁控濺射制備高質(zhì)量薄膜的關(guān)鍵初始步驟，對(duì)薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量、附著力以及后續(xù)性能有著重要影響。在本實(shí)驗(yàn)中，選用的玻璃片和硅片基片在使用前需進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的預(yù)處理，主要包括清洗和拋光等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。清洗環(huán)節(jié)旨在去除基片表面的各類污染物，這些污染物可能來(lái)源于生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程，如油污、灰塵、氧化物以及有機(jī)雜質(zhì)等。若這些污染物殘留在基片表面，會(huì)阻礙薄膜原子與基片表面的有效結(jié)合，降低薄膜的附著力，甚至在薄膜中引入缺陷，影響薄膜的電學(xué)、光學(xué)等性能。采用的清洗方法為超聲波清洗結(jié)合化學(xué)試劑清洗。首先，將基片放入裝有丙酮的清洗槽中，在超聲波清洗機(jī)中清洗15分鐘。丙酮是一種良好的有機(jī)溶劑，能夠有效溶解基片表面的油污和有機(jī)雜質(zhì)。超聲波的作用則是通過(guò)高頻振動(dòng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)，增強(qiáng)清洗效果，使丙酮能夠更深入地滲透到污染物與基片表面的微小縫隙中，將污染物剝離。隨后，將基片從丙酮中取出，用去離子水沖洗，以去除殘留的丙酮和被溶解的污染物。接著，將基片放入無(wú)水乙醇中，再次在超聲波清洗機(jī)中清洗15分鐘。無(wú)水乙醇具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，能夠進(jìn)一步去除基片表面的水分和殘留的微量雜質(zhì)，同時(shí)對(duì)基片表面進(jìn)行脫水處理，為后續(xù)的薄膜沉積創(chuàng)造良好的表面條件。最后，用去離子水徹底沖洗基片，去除殘留的乙醇，然后將基片放入烘箱中，在80℃下烘干1小時(shí)，以去除基片表面的水分。拋光環(huán)節(jié)主要針對(duì)硅片基片，其目的是獲得平整光滑的表面，這對(duì)于薄膜的均勻生長(zhǎng)至關(guān)重要。粗糙的基片表面會(huì)導(dǎo)致薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中厚度不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力集中等問(wèn)題，影響薄膜的性能。采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）方法對(duì)硅片進(jìn)行拋光。在CMP過(guò)程中，將硅片固定在拋光機(jī)的工作臺(tái)上，拋光墊與硅片表面接觸，拋光液由含有研磨顆粒（如二氧化硅或氧化鋁）和化學(xué)試劑（如堿性溶液或酸性溶液）的混合液組成。拋光機(jī)帶動(dòng)拋光墊高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)施加一定的壓力，研磨顆粒在化學(xué)試劑的協(xié)同作用下，對(duì)硅片表面進(jìn)行微切削和化學(xué)反應(yīng)，去除硅片表面的微小凸起和缺陷，使硅片表面達(dá)到高度平整光滑的狀態(tài)。在拋光過(guò)程中，需要精確控制拋光時(shí)間、壓力和拋光液的流量等參數(shù)，以確保拋光效果的一致性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)拋光后的硅片，表面粗糙度可降低至納米級(jí)，為后續(xù)的薄膜沉積提供了理想的基底。通過(guò)上述嚴(yán)格的清洗和拋光預(yù)處理步驟，基片表面的污染物被有效去除，表面平整度得到顯著提高，為磁控濺射制備Bi、O摻雜的CdSe薄膜提供了清潔、平整的表面，有利于薄膜原子在基片表面的均勻成核和生長(zhǎng)，提高薄膜的質(zhì)量和性能。3.2.2濺射過(guò)程控制在磁控濺射制備Bi、O摻雜CdSe薄膜的過(guò)程中，對(duì)濺射過(guò)程的精確控制是獲得高質(zhì)量薄膜的關(guān)鍵，其中氣壓、功率、時(shí)間等參數(shù)的控制尤為重要，它們直接影響薄膜的生長(zhǎng)速率、結(jié)構(gòu)和性能。濺射氣壓是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度和致密度有著顯著影響。在本實(shí)驗(yàn)中，濺射氣體主要為氬氣（Ar），通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制其流量，從而調(diào)節(jié)濺射氣壓。當(dāng)氣壓過(guò)高時(shí)，氣體電離程度提高，但濺射原子在到達(dá)襯底前與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，能量損失較大，導(dǎo)致到達(dá)襯底后遷移能力受限，結(jié)晶質(zhì)量變差，薄膜可能呈現(xiàn)出非晶態(tài)或結(jié)晶不完整的狀態(tài)。同時(shí)，過(guò)高的氣壓會(huì)使濺射原子以不均勻的方式到達(dá)襯底，導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加，致密度降低。相反，當(dāng)氣壓過(guò)低時(shí)，氣體電離困難，難以發(fā)生濺射起輝效果，沉積速率極低，無(wú)法形成連續(xù)的薄膜。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)將濺射氣壓控制在0.5-1.5Pa范圍內(nèi)，能夠保證濺射粒子有足夠的能量到達(dá)襯底并進(jìn)行良好的結(jié)晶，使薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)量、表面光滑度和致密度。在該氣壓范圍內(nèi)，濺射原子的平均自由程適中，既能保證一定的沉積速率，又能使原子在襯底表面有足夠的遷移能力，從而形成高質(zhì)量的薄膜。濺射功率直接影響靶材表面受到的氬離子轟擊能量，進(jìn)而影響沉積速率、薄膜結(jié)構(gòu)和應(yīng)力等性能。本實(shí)驗(yàn)中，CdSe靶材采用直流濺射電源，其功率可在0-200W范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。隨著濺射功率的增加，靶材表面受到的氬離子轟擊能量增強(qiáng)，濺射產(chǎn)額提高，沉積速率加快。然而，當(dāng)濺射功率過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致靶材表面過(guò)熱，甚至出現(xiàn)靶材“中毒”現(xiàn)象（對(duì)于反應(yīng)濺射，當(dāng)反應(yīng)氣體與靶材反應(yīng)生成的化合物在靶材表面積累，阻礙濺射過(guò)程，導(dǎo)致濺射速率急劇下降的現(xiàn)象），反而會(huì)影響沉積速率的穩(wěn)定性。此外，濺射功率還會(huì)影響薄膜的結(jié)構(gòu)。在低濺射功率下，濺射原子到達(dá)襯底的能量較低，原子的遷移能力較弱，薄膜的晶粒尺寸較小，可能形成多晶或非晶結(jié)構(gòu)；而在高濺射功率下，原子的能量較高，遷移和擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于晶粒的生長(zhǎng)和結(jié)晶，薄膜可能呈現(xiàn)出較大的晶粒尺寸和較好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。但高濺射功率下沉積的薄膜應(yīng)力也較大，這是因?yàn)榭焖俚某练e過(guò)程中，薄膜中的原子來(lái)不及充分調(diào)整位置，導(dǎo)致應(yīng)力積累。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)將濺射功率控制在80-120W范圍內(nèi)，能夠在保證一定沉積速率的同時(shí)，獲得結(jié)晶質(zhì)量較好且應(yīng)力較小的CdSe薄膜。在該功率范圍內(nèi)，靶材表面的原子能夠被有效地濺射出來(lái)，且到達(dá)襯底的原子具有足夠的能量進(jìn)行遷移和結(jié)晶，從而形成高質(zhì)量的薄膜結(jié)構(gòu)。濺射時(shí)間決定了薄膜的厚度，精確控制濺射時(shí)間對(duì)于獲得所需厚度的薄膜至關(guān)重要。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)得到的沉積速率數(shù)據(jù)，結(jié)合所需薄膜的目標(biāo)厚度，通過(guò)公式計(jì)算得出濺射時(shí)間。例如，已知在特定的濺射條件下，CdSe薄膜的沉積速率為0.1nm/s，若需要制備厚度為200nm的薄膜，則濺射時(shí)間應(yīng)為2000s。在實(shí)際濺射過(guò)程中，使用高精度的計(jì)時(shí)裝置對(duì)濺射時(shí)間進(jìn)行精確控制，確保薄膜厚度的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為了保證薄膜厚度的均勻性，在濺射過(guò)程中保持其他工藝參數(shù)的穩(wěn)定，避免因參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致沉積速率變化，從而影響薄膜厚度的均勻性。此外，還需考慮到薄膜生長(zhǎng)初期的成核過(guò)程以及后期的生長(zhǎng)速率變化，對(duì)濺射時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，以確保獲得的薄膜厚度滿足實(shí)驗(yàn)要求。3.3薄膜制備過(guò)程中的質(zhì)量控制在磁控濺射制備Bi、O摻雜CdSe薄膜的過(guò)程中，質(zhì)量控制至關(guān)重要，它直接關(guān)系到薄膜的性能和后續(xù)應(yīng)用。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和精細(xì)調(diào)整工藝參數(shù)，可以確保薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的嚴(yán)格要求。在薄膜制備過(guò)程中，對(duì)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是保證薄膜質(zhì)量的基礎(chǔ)。利用設(shè)備自帶的傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)濺射氣壓、濺射功率、靶基距以及襯底溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如，通過(guò)高精度的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濺射氣壓，確保其穩(wěn)定在設(shè)定的0.5-1.5Pa范圍內(nèi)。一旦氣壓出現(xiàn)波動(dòng)，如氣壓高于1.5Pa，可能導(dǎo)致薄膜結(jié)晶質(zhì)量變差、表面粗糙度增加，此時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整氣體流量，使氣壓恢復(fù)到正常范圍。對(duì)于濺射功率，采用功率監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保其在80-120W的設(shè)定范圍內(nèi)。若功率超出范圍，如功率過(guò)高導(dǎo)致靶材過(guò)熱或“中毒”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低功率，以保證濺射過(guò)程的穩(wěn)定性和薄膜質(zhì)量。靶基距和襯底溫度也通過(guò)相應(yīng)的位移傳感器和溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保靶基距穩(wěn)定在合適的范圍（如5-10cm），襯底溫度穩(wěn)定在設(shè)定的200-300℃范圍內(nèi)。除了實(shí)時(shí)監(jiān)控，定期校準(zhǔn)也是確保工藝參數(shù)準(zhǔn)確性的重要措施。定期對(duì)設(shè)備的傳感器、質(zhì)量流量控制器等關(guān)鍵部件進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。例如，每?jī)芍軐?duì)質(zhì)量流量控制器進(jìn)行一次校準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)其流量測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，確保氬氣、氧氣等氣體流量的控制精度達(dá)到±0.1sccm。定期對(duì)溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保襯底溫度的測(cè)量誤差控制在±5℃以內(nèi)。通過(guò)定期校準(zhǔn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)備部件可能出現(xiàn)的偏差，保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確，從而提高薄膜質(zhì)量的一致性。在薄膜制備過(guò)程中，還需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。例如，在濺射過(guò)程中，隨著靶材的消耗，靶材表面狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致濺射速率下降。此時(shí)，根據(jù)沉積速率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，適當(dāng)提高濺射功率，以維持穩(wěn)定的沉積速率。但在提高功率時(shí)，需要密切關(guān)注靶材溫度和薄膜應(yīng)力的變化，避免因功率過(guò)高導(dǎo)致靶材過(guò)熱或薄膜應(yīng)力過(guò)大。又如，當(dāng)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整襯底溫度和濺射氣壓來(lái)改善結(jié)晶質(zhì)量。如果薄膜結(jié)晶度較低，適當(dāng)提高襯底溫度，增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，促進(jìn)結(jié)晶；同時(shí)，優(yōu)化濺射氣壓，保證濺射原子有足夠的能量到達(dá)襯底并進(jìn)行良好的結(jié)晶。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)的方式，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)薄膜制備過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，確保薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性。此外，為了進(jìn)一步提高薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性，還可以采用質(zhì)量控制圖表對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行記錄和分析。例如，繪制濺射功率、濺射氣壓等參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)觀察曲線的趨勢(shì)和波動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常波動(dòng)，如濺射功率突然下降，通過(guò)分析曲線和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，找出原因并及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，對(duì)不同批次制備的薄膜性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如薄膜的電學(xué)性能、光學(xué)性能等，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果優(yōu)化工藝參數(shù)，不斷提高薄膜質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。四、薄膜結(jié)構(gòu)與形貌分析4.1X射線衍射（XRD）分析4.1.1晶體結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)X射線衍射（XRD）技術(shù)是研究材料晶體結(jié)構(gòu)的重要手段，通過(guò)對(duì)Bi、O摻雜CdSe薄膜的XRD圖譜分析，可以深入了解薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)以及摻雜對(duì)其產(chǎn)生的影響。圖4-1展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜在2θ為25.3°、43.7°、51.3°等位置出現(xiàn)了明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于CdSe的（111）、（220）、（311）晶面，與六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)CdSe的標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDSNo.89-0440）相匹配，表明未摻雜的CdSe薄膜主要呈現(xiàn)六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。在Bi、O摻雜的CdSe薄膜中，依然可以觀察到CdSe的主要衍射峰，但峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生了一定變化。隨著Bi摻雜濃度的增加，（002）晶面的衍射峰向低角度方向偏移。根據(jù)布拉格定律2dsinθ=nλ（其中d為晶面間距，θ為衍射角，n為衍射級(jí)數(shù)，λ為X射線波長(zhǎng)），衍射峰向低角度偏移意味著晶面間距d增大。這是因?yàn)锽i原子的半徑（0.163nm）大于Cd原子的半徑（0.148nm），當(dāng)Bi原子替代CdSe晶格中的Cd原子時(shí)，會(huì)引起晶格膨脹，導(dǎo)致晶面間距增大，從而使衍射峰向低角度方向移動(dòng)。同時(shí)，O的摻雜也對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。在引入O元素后，XRD圖譜中除了CdSe的衍射峰外，未觀察到明顯的新相衍射峰，說(shuō)明O可能以間隙原子或與Cd、Se形成化學(xué)鍵的形式存在于CdSe晶格中。O的摻雜使得部分衍射峰的強(qiáng)度略有增強(qiáng)，這可能是由于O的摻入改善了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，使晶體的完整性提高，從而增強(qiáng)了衍射峰的強(qiáng)度。為了進(jìn)一步確定晶格參數(shù)的變化，對(duì)XRD圖譜進(jìn)行了精修分析。利用Rietveld全譜擬合方法，對(duì)未摻雜和摻雜CdSe薄膜的XRD數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到晶格常數(shù)a和c的值，如表4-1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，未摻雜CdSe薄膜的晶格常數(shù)a為0.4285nm，c為0.7005nm。隨著Bi摻雜濃度從0.5%增加到1.5%，晶格常數(shù)a逐漸增大，從0.4288nm增加到0.4295nm，c也呈現(xiàn)出類似的增大趨勢(shì)，從0.7008nm增加到0.7015nm。這與XRD圖譜中衍射峰向低角度偏移的結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了Bi的摻雜導(dǎo)致晶格膨脹。而O摻雜的CdSe薄膜，晶格常數(shù)a和c相較于未摻雜薄膜略有減小，這可能是因?yàn)镺原子的摻入填補(bǔ)了晶格中的部分空位，使晶格結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而導(dǎo)致晶格常數(shù)減小?！敬颂幉迦雸D4-1：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的XRD圖譜】【此處插入表4-1：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的晶格常數(shù)】4.1.2擇優(yōu)取向與結(jié)晶質(zhì)量薄膜的擇優(yōu)取向和結(jié)晶質(zhì)量對(duì)其性能有著重要影響，通過(guò)XRD圖譜可以分析Bi、O摻雜CdSe薄膜的擇優(yōu)取向和結(jié)晶質(zhì)量的變化。從圖4-1的XRD圖譜中可以觀察到，未摻雜的CdSe薄膜在（002）晶面的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較高，表明薄膜在（002）晶面方向具有一定的擇優(yōu)取向。這種擇優(yōu)取向的形成與薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程密切相關(guān)，在磁控濺射制備薄膜時(shí)，原子在襯底表面的沉積和擴(kuò)散過(guò)程會(huì)受到多種因素的影響，如襯底溫度、濺射原子的能量和角度等。在合適的制備條件下，原子更容易在（002）晶面方向進(jìn)行有序排列，從而形成擇優(yōu)取向。當(dāng)Bi、O摻雜后，薄膜的擇優(yōu)取向發(fā)生了變化。隨著Bi摻雜濃度的增加，（002）晶面衍射峰的強(qiáng)度相對(duì)減弱，而其他晶面的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)增強(qiáng)。這說(shuō)明Bi的摻雜抑制了薄膜在（002）晶面方向的擇優(yōu)取向，使薄膜的晶體生長(zhǎng)更加均勻，各晶面的生長(zhǎng)差異減小。Bi原子的摻入改變了CdSe晶格的原子排列和電子云分布，影響了原子在襯底表面的擴(kuò)散和沉積過(guò)程，從而導(dǎo)致?lián)駜?yōu)取向的變化。對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，（002）晶面衍射峰的強(qiáng)度略有增強(qiáng)，表明O的摻雜在一定程度上促進(jìn)了薄膜在（002）晶面方向的擇優(yōu)取向。這可能是因?yàn)镺原子與CdSe晶格中的原子形成了化學(xué)鍵，增強(qiáng)了原子間的相互作用，使得原子更容易在（002）晶面方向進(jìn)行有序排列。為了定量評(píng)估薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，計(jì)算了XRD圖譜中（002）晶面衍射峰的半高寬（FWHM）。半高寬越小，說(shuō)明衍射峰越尖銳，晶體的結(jié)晶質(zhì)量越好。圖4-2展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜（002）晶面衍射峰的半高寬變化情況。從圖中可以看出，未摻雜CdSe薄膜的半高寬為0.32°。隨著Bi摻雜濃度的增加，半高寬逐漸增大，當(dāng)Bi摻雜濃度為1.5%時(shí)，半高寬增大到0.38°。這表明Bi的摻雜導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，可能是由于Bi原子的摻入引入了晶格缺陷，增加了晶體的無(wú)序度，從而使衍射峰變寬。而O摻雜的CdSe薄膜，半高寬略有減小，為0.30°。這說(shuō)明O的摻雜有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，可能是因?yàn)镺原子填補(bǔ)了晶格中的空位，減少了缺陷的數(shù)量，使晶體結(jié)構(gòu)更加完整，從而使衍射峰變窄。【此處插入圖4-2：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜（002）晶面衍射峰的半高寬變化情況】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的擇優(yōu)取向和結(jié)晶質(zhì)量產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜抑制了薄膜在（002）晶面方向的擇優(yōu)取向，降低了結(jié)晶質(zhì)量；而O的摻雜則在一定程度上促進(jìn)了（002）晶面方向的擇優(yōu)取向，提高了結(jié)晶質(zhì)量。這些變化將進(jìn)一步影響薄膜的電學(xué)、光學(xué)等性能，為后續(xù)的研究提供了重要的參考依據(jù)。4.2掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）觀察4.2.1表面形貌與顆粒尺寸分布掃描電子顯微鏡（SEM）是研究薄膜表面形貌和顆粒尺寸分布的重要工具，通過(guò)對(duì)Bi、O摻雜CdSe薄膜的SEM圖像分析，可以直觀地了解薄膜的微觀結(jié)構(gòu)特征以及摻雜對(duì)其產(chǎn)生的影響。圖4-3展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的SEM圖像，放大倍數(shù)為50000倍。從圖中可以清晰地看到，未摻雜的CdSe薄膜表面呈現(xiàn)出較為均勻的顆粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒大小相對(duì)較為一致，平均粒徑約為50nm。這些顆粒緊密排列，形成了連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)。在未摻雜薄膜中，顆粒之間的邊界清晰，表明薄膜的生長(zhǎng)較為有序。這是因?yàn)樵谖磽诫s的情況下，CdSe薄膜的生長(zhǎng)主要遵循其自身的結(jié)晶規(guī)律，原子在襯底表面的沉積和擴(kuò)散過(guò)程相對(duì)較為穩(wěn)定，有利于形成均勻的顆粒結(jié)構(gòu)。當(dāng)Bi摻雜濃度為0.5%時(shí)，薄膜表面的顆粒尺寸略有增大，平均粒徑增加到約60nm。同時(shí)，顆粒的分布變得相對(duì)不均勻，出現(xiàn)了一些較大尺寸的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。這可能是由于Bi原子的摻入改變了CdSe薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，Bi原子的半徑大于Cd原子，當(dāng)Bi原子替代Cd原子進(jìn)入晶格時(shí)，會(huì)引起晶格局部畸變，影響原子的擴(kuò)散和沉積過(guò)程，使得部分區(qū)域的原子更容易聚集形成較大的顆粒。隨著Bi摻雜濃度進(jìn)一步增加到1.5%，薄膜表面的顆粒尺寸進(jìn)一步增大，平均粒徑達(dá)到約80nm，且顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象更加明顯。此時(shí)，薄膜表面出現(xiàn)了一些明顯的溝壑和孔洞，這是由于顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不均勻性增加，在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中形成了一些薄弱區(qū)域，從而出現(xiàn)了孔洞和溝壑。對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，當(dāng)O含量較低時(shí)，薄膜表面的顆粒尺寸和分布與未摻雜薄膜相比變化不大。但隨著O含量的增加，薄膜表面的顆粒變得更加細(xì)小且均勻，平均粒徑減小到約40nm。這表明O的摻雜有助于細(xì)化薄膜的晶粒尺寸，提高薄膜的均勻性。O原子的摻入可能在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中起到了抑制晶粒生長(zhǎng)的作用，O原子與CdSe晶格中的原子形成化學(xué)鍵，增加了原子間的相互作用，阻礙了原子的遷移和團(tuán)聚，從而使晶粒尺寸減小。為了更準(zhǔn)確地分析顆粒尺寸分布，對(duì)SEM圖像進(jìn)行了顆粒尺寸統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4-4所示。從圖中可以看出，未摻雜CdSe薄膜的顆粒尺寸分布較為集中，主要分布在40-60nm范圍內(nèi)。Bi摻雜的CdSe薄膜，隨著Bi摻雜濃度的增加，顆粒尺寸分布逐漸向大尺寸方向移動(dòng)，分布范圍也變寬。而O摻雜的CdSe薄膜，顆粒尺寸分布則向小尺寸方向移動(dòng)，分布更加集中在30-50nm范圍內(nèi)。【此處插入圖4-3：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的SEM圖像（50000倍）】【此處插入圖4-4：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的顆粒尺寸分布圖】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的表面形貌和顆粒尺寸分布產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜導(dǎo)致顆粒尺寸增大和團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，而O的摻雜則使顆粒尺寸減小且分布更加均勻。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化將對(duì)薄膜的電學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響。4.2.2薄膜截面結(jié)構(gòu)與界面特征透射電子顯微鏡（TEM）具有高分辨率的特點(diǎn)，能夠深入揭示薄膜的微觀結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)對(duì)Bi、O摻雜CdSe薄膜的TEM圖像分析，可以清晰地觀察到薄膜的截面結(jié)構(gòu)以及薄膜與襯底之間的界面特征，進(jìn)而探究摻雜對(duì)這些結(jié)構(gòu)的影響。圖4-5展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的TEM截面圖像。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜呈現(xiàn)出較為均勻的層狀結(jié)構(gòu)，薄膜與襯底之間的界面清晰、平整。在未摻雜薄膜中，薄膜的厚度均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，沒有明顯的缺陷和空洞。這表明在未摻雜的情況下，CdSe薄膜在襯底上的生長(zhǎng)較為均勻，原子在襯底表面的沉積和擴(kuò)散過(guò)程較為穩(wěn)定，能夠形成高質(zhì)量的薄膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)Bi摻雜濃度為0.5%時(shí)，薄膜的截面結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化。薄膜內(nèi)部出現(xiàn)了一些細(xì)小的孔洞和位錯(cuò)，這可能是由于Bi原子的摻入引起了晶格畸變，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而形成了這些缺陷。同時(shí)，薄膜與襯底之間的界面依然清晰，但在界面處出現(xiàn)了一些微小的凸起和凹陷，這可能是由于Bi原子在界面處的偏聚或界面處的原子擴(kuò)散不均勻?qū)е碌摹ｋS著Bi摻雜濃度增加到1.5%，薄膜內(nèi)部的孔洞和位錯(cuò)數(shù)量增多，尺寸也增大，薄膜的致密性降低。薄膜與襯底之間的界面變得更加粗糙，界面處的凸起和凹陷更加明顯，這可能會(huì)影響薄膜與襯底之間的附著力，降低薄膜的穩(wěn)定性。對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，當(dāng)O含量較低時(shí)，薄膜的截面結(jié)構(gòu)與未摻雜薄膜相似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，界面清晰。但隨著O含量的增加，薄膜內(nèi)部的缺陷明顯減少，結(jié)構(gòu)更加致密。這表明O的摻雜有助于改善薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高薄膜的質(zhì)量。O原子的摻入可能填充了薄膜中的空位和間隙，減少了缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)增強(qiáng)了原子間的相互作用，使薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，薄膜與襯底之間的界面也變得更加平整，界面處的原子排列更加有序，這有利于提高薄膜與襯底之間的附著力，增強(qiáng)薄膜的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步分析薄膜的截面結(jié)構(gòu)和界面特征，對(duì)TEM圖像進(jìn)行了選區(qū)電子衍射（SAED）分析。SAED圖譜可以提供薄膜晶體結(jié)構(gòu)的信息，通過(guò)分析SAED圖譜中的衍射斑點(diǎn)和衍射環(huán)，可以確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向。圖4-6展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的SAED圖譜。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜的SAED圖譜呈現(xiàn)出典型的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的衍射斑點(diǎn)，表明薄膜具有良好的結(jié)晶性。Bi摻雜的CdSe薄膜，隨著Bi摻雜濃度的增加，SAED圖譜中的衍射斑點(diǎn)變得模糊，甚至出現(xiàn)了一些額外的衍射環(huán)，這表明Bi的摻雜導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶性下降，可能引入了一些雜質(zhì)相或缺陷。而O摻雜的CdSe薄膜，SAED圖譜中的衍射斑點(diǎn)更加清晰、銳利，表明O的摻雜有助于提高薄膜的結(jié)晶性，使薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加完整?！敬颂幉迦雸D4-5：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的TEM截面圖像】【此處插入圖4-6：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的SAED圖譜】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的截面結(jié)構(gòu)和界面特征產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜導(dǎo)致薄膜內(nèi)部缺陷增多，界面變得粗糙，結(jié)晶性下降；而O的摻雜則使薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，界面更加平整，結(jié)晶性提高。這些結(jié)構(gòu)上的變化將對(duì)薄膜的電學(xué)、光學(xué)等性能以及薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。五、Bi、O摻雜CdSe薄膜的性能研究5.1光學(xué)性能5.1.1吸收光譜與帶隙變化為深入探究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜光學(xué)性能的影響，采用紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜在200-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收系數(shù)進(jìn)行了精確測(cè)量，得到的吸收光譜如圖5-1所示。從圖中可以清晰地觀察到，未摻雜的CdSe薄膜在400-600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，這是由于CdSe的本征吸收，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶電子吸收光子躍遷到導(dǎo)帶的過(guò)程。隨著Bi摻雜濃度的增加，吸收峰逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。當(dāng)Bi摻雜濃度從0.5%增加到1.5%時(shí)，吸收峰的位置從470nm逐漸紅移至490nm。這是因?yàn)锽i原子的摻入改變了CdSe薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，Bi原子的外層電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其進(jìn)入CdSe晶格后，會(huì)在禁帶中引入新的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)靠近價(jià)帶，使得價(jià)帶電子躍遷到雜質(zhì)能級(jí)所需的能量降低，從而導(dǎo)致吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。【此處插入圖5-1：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的光吸收光譜】對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，隨著O含量的增加，吸收峰的位置則向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。當(dāng)O含量從低濃度逐漸增加時(shí)，吸收峰從470nm逐漸藍(lán)移至450nm。這是因?yàn)镺原子的摻入可能填補(bǔ)了CdSe晶格中的部分空位，使晶格結(jié)構(gòu)更加緊湊，禁帶寬度略有增加。根據(jù)半導(dǎo)體的吸收理論，吸收邊與禁帶寬度密切相關(guān)，禁帶寬度的增加導(dǎo)致吸收邊向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從而使吸收峰發(fā)生藍(lán)移。為了進(jìn)一步分析Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜帶隙的影響，根據(jù)吸收光譜數(shù)據(jù)，利用Tauc公式計(jì)算了薄膜的光學(xué)帶隙。Tauc公式為：(αhν)^n=A(hν-E_g)，其中α為吸收系數(shù)，hν為光子能量，A為常數(shù)，n的值取決于半導(dǎo)體的躍遷類型（對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，n=2；對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體，n=1/2）。由于CdSe是直接帶隙半導(dǎo)體，這里n取2。通過(guò)繪制(αhν)^2-hν曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，外推至(αhν)^2=0處，得到的hν值即為薄膜的光學(xué)帶隙E_g。圖5-2展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的光學(xué)帶隙變化情況。從圖中可以看出，未摻雜CdSe薄膜的光學(xué)帶隙約為1.72eV。隨著Bi摻雜濃度的增加，光學(xué)帶隙逐漸減小，當(dāng)Bi摻雜濃度為1.5%時(shí)，光學(xué)帶隙減小至1.68eV。這與吸收光譜中吸收峰的紅移現(xiàn)象一致，Bi的摻雜導(dǎo)致禁帶中出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)，使價(jià)帶電子更容易躍遷到導(dǎo)帶，從而降低了薄膜的光學(xué)帶隙。而O摻雜的CdSe薄膜，光學(xué)帶隙隨著O含量的增加而逐漸增大，當(dāng)O含量達(dá)到一定程度時(shí)，光學(xué)帶隙增大至1.76eV。這是由于O的摻入使晶格結(jié)構(gòu)更加緊湊，禁帶寬度增加，導(dǎo)致光學(xué)帶隙增大?！敬颂幉迦雸D5-2：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的光學(xué)帶隙變化】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的吸收光譜和帶隙產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜使吸收峰紅移，帶隙減??；O的摻雜使吸收峰藍(lán)移，帶隙增大。這些變化將對(duì)CdSe薄膜在光電器件中的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響，例如在太陽(yáng)能電池中，帶隙的變化會(huì)影響對(duì)太陽(yáng)光的吸收范圍和光電轉(zhuǎn)換效率；在光探測(cè)器中，帶隙的改變會(huì)影響對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)特性。5.1.2光致發(fā)光特性光致發(fā)光（PL）光譜是研究半導(dǎo)體材料中電子-空穴復(fù)合過(guò)程和發(fā)光特性的重要手段。通過(guò)測(cè)量Bi、O摻雜CdSe薄膜的PL光譜，可以深入了解摻雜對(duì)薄膜發(fā)光效率和發(fā)光峰位置的影響。圖5-3展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜在室溫下的PL光譜，激發(fā)光源為325nm的He-Cd激光器。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜在550-650nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一個(gè)明顯的發(fā)光峰，這是由于CdSe薄膜中的本征電子-空穴復(fù)合發(fā)光。在這個(gè)過(guò)程中，導(dǎo)帶中的電子躍遷回價(jià)帶與空穴復(fù)合，釋放出能量以光子的形式發(fā)射出來(lái)。當(dāng)Bi摻雜濃度為0.5%時(shí)，PL光譜的發(fā)光峰強(qiáng)度略有增強(qiáng)，同時(shí)發(fā)光峰位置向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從原來(lái)的600nm移動(dòng)至610nm。這是因?yàn)锽i原子的摻入引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)可以作為電子-空穴復(fù)合的中心，增加了復(fù)合幾率，從而使發(fā)光峰強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)的存在改變了電子躍遷的能量差，導(dǎo)致發(fā)光峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。隨著Bi摻雜濃度進(jìn)一步增加到1.5%，發(fā)光峰強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱。這是因?yàn)樵谳^低摻雜濃度下，Bi引入的雜質(zhì)能級(jí)增加了復(fù)合中心，有利于發(fā)光；但當(dāng)摻雜濃度過(guò)高時(shí)，過(guò)多的Bi原子會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)聚集，形成缺陷，這些缺陷會(huì)成為非輻射復(fù)合中心，使電子-空穴通過(guò)非輻射復(fù)合的方式消失，從而降低發(fā)光效率，導(dǎo)致發(fā)光峰強(qiáng)度減弱。此時(shí)，發(fā)光峰位置繼續(xù)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)至620nm。對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，隨著O含量的增加，PL光譜的發(fā)光峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)镺原子的摻入有效地鈍化了薄膜中的缺陷，減少了非輻射復(fù)合中心，使電子-空穴更多地通過(guò)輻射復(fù)合的方式發(fā)光，從而提高了發(fā)光效率。同時(shí)，發(fā)光峰位置向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從600nm移動(dòng)至590nm。這可能是由于O的摻入使晶格結(jié)構(gòu)更加緊湊，禁帶寬度略有增加，電子躍遷的能量差增大，導(dǎo)致發(fā)光峰向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)?！敬颂幉迦雸D5-3：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的PL光譜】為了更準(zhǔn)確地分析PL光譜的變化，對(duì)發(fā)光峰的半高寬（FWHM）進(jìn)行了計(jì)算。半高寬反映了發(fā)光峰的寬窄程度，與發(fā)光過(guò)程中的能量分布和雜質(zhì)、缺陷等因素有關(guān)。圖5-4展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜PL光譜發(fā)光峰的半高寬變化情況。從圖中可以看出，未摻雜CdSe薄膜的發(fā)光峰半高寬為50nm。Bi摻雜的CdSe薄膜，隨著Bi摻雜濃度的增加，半高寬逐漸增大，當(dāng)Bi摻雜濃度為1.5%時(shí)，半高寬增大到70nm。這表明Bi的摻雜導(dǎo)致薄膜中發(fā)光過(guò)程的能量分布變寬，可能是由于Bi引入的雜質(zhì)能級(jí)和缺陷增加了電子躍遷的復(fù)雜性，使發(fā)光過(guò)程涉及更多的能量狀態(tài)。而O摻雜的CdSe薄膜，半高寬逐漸減小，當(dāng)O含量增加到一定程度時(shí)，半高寬減小至40nm。這說(shuō)明O的摻雜使薄膜中的發(fā)光過(guò)程更加集中，能量分布更加均勻，進(jìn)一步證明了O的摻入減少了缺陷，提高了薄膜的發(fā)光質(zhì)量?！敬颂幉迦雸D5-4：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜PL光譜發(fā)光峰的半高寬變化】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的光致發(fā)光特性產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜在一定濃度范圍內(nèi)增強(qiáng)了發(fā)光峰強(qiáng)度，但過(guò)高濃度會(huì)導(dǎo)致發(fā)光峰強(qiáng)度減弱，同時(shí)使發(fā)光峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，半高寬增大；O的摻雜則持續(xù)增強(qiáng)發(fā)光峰強(qiáng)度，使發(fā)光峰向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，半高寬減小。這些變化對(duì)于CdSe薄膜在發(fā)光二極管、光探測(cè)器等光電器件中的應(yīng)用具有重要意義，為優(yōu)化器件的發(fā)光性能提供了理論依據(jù)。5.2電學(xué)性能5.2.1電阻率與載流子濃度為了深入研究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜電學(xué)性能的影響，采用范德堡法對(duì)未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的電阻率和載流子濃度進(jìn)行了精確測(cè)量。圖5-5展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的電阻率變化情況。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜的電阻率較高，約為1.5×103Ω?cm。這是因?yàn)楸菊鰿dSe薄膜中的載流子濃度較低，在室溫下，熱激發(fā)產(chǎn)生的本征載流子數(shù)量有限，導(dǎo)致其對(duì)電流的傳導(dǎo)能力較弱，從而電阻率較高。當(dāng)Bi摻雜濃度為0.5%時(shí)，薄膜的電阻率明顯下降，降低至約5.0×102Ω?cm。這是因?yàn)锽i原子的摻入在CdSe薄膜中引入了雜質(zhì)能級(jí)，這些雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶，使得電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中，從而增加了載流子濃度，降低了電阻率。隨著Bi摻雜濃度進(jìn)一步增加到1.5%，電阻率繼續(xù)下降至約1.0×102Ω?cm。但當(dāng)Bi摻雜濃度超過(guò)一定值后，電阻率下降的趨勢(shì)逐漸變緩，這可能是由于過(guò)高的Bi摻雜濃度導(dǎo)致雜質(zhì)聚集，形成了一些不利于載流子傳輸?shù)娜毕?，從而在一定程度上阻礙了載流子的移動(dòng)?！敬颂幉迦雸D5-5：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的電阻率變化】對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，隨著O含量的增加，電阻率呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)O含量較低時(shí)，O原子的摻入能夠鈍化薄膜中的一些缺陷，減少載流子的散射中心，從而提高載流子的遷移率，使電阻率下降。當(dāng)O含量增加到一定程度時(shí)，過(guò)多的O原子可能會(huì)與CdSe晶格中的原子形成一些新的化合物，這些化合物可能會(huì)引入額外的雜質(zhì)能級(jí)，導(dǎo)致載流子濃度降低，從而使電阻率上升。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)O含量為適量時(shí)，電阻率最低可降低至約8.0×102Ω?cm。載流子濃度是影響薄膜電學(xué)性能的另一個(gè)重要參數(shù)。圖5-6展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的載流子濃度變化情況。從圖中可以看出，未摻雜CdSe薄膜的載流子濃度約為5.0×101?cm?3。Bi摻雜后，載流子濃度顯著增加。當(dāng)Bi摻雜濃度為1.5%時(shí)，載流子濃度增加到約2.0×101?cm?3。這與前面電阻率的變化趨勢(shì)一致，Bi的摻雜引入了更多的載流子，從而降低了電阻率。對(duì)于O摻雜的CdSe薄膜，載流子濃度也呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。在O含量適量時(shí)，載流子濃度最高可達(dá)到約1.0×101?cm?3，隨后隨著O含量的進(jìn)一步增加，載流子濃度逐漸降低?！敬颂幉迦雸D5-6：未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的載流子濃度變化】綜上所述，Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜的電阻率和載流子濃度產(chǎn)生了顯著影響。Bi的摻雜主要通過(guò)引入雜質(zhì)能級(jí)增加載流子濃度，從而降低電阻率；O的摻雜則通過(guò)鈍化缺陷和引入新的雜質(zhì)能級(jí)等機(jī)制，對(duì)載流子濃度和電阻率產(chǎn)生復(fù)雜的影響。這些電學(xué)性能的變化將對(duì)CdSe薄膜在電子器件中的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響，例如在半導(dǎo)體器件中，合適的電阻率和載流子濃度是保證器件正常工作的關(guān)鍵因素。5.2.2霍爾效應(yīng)與遷移率通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試，可以進(jìn)一步深入研究Bi、O摻雜對(duì)CdSe薄膜電學(xué)性能的影響，特別是載流子的遷移特性。利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)測(cè)量霍爾電壓，計(jì)算得到薄膜的霍爾遷移率。圖5-7展示了未摻雜和不同Bi、O摻雜濃度的CdSe薄膜的霍爾遷移率變化情況。從圖中可以看出，未摻雜的CdSe薄膜的霍爾遷移率較低，約為10cm2/(V?s)。這是因?yàn)楸菊鰿dSe薄膜中存在一定數(shù)量的晶格缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致遷移率較低。當(dāng)Bi摻雜濃度為0.5%時(shí)，霍爾遷移率略有增加，提高至約12cm2/(V?s)。Bi原子的摻入引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，雖然增加了載流子濃度，但同時(shí)也可能引入了一些新的散射中心，在一定程度上限制了遷移率的提升。隨著Bi摻雜濃度進(jìn)一步增加到1.5%，霍爾