硅系纳米复合薄膜的制备及其微结构、光电性能研究

论文摘要

本论文旨在通过对硅系纳米复合薄膜的制备方法、结构特征及光电性能的研究,探讨微结构对材料物性的影响规律,以期达到通过调整工艺参数控制材料微结构,进而控制材料物性的目的,实现对材料结构、物性的设计和加工。论文全面回顾了纳米硅薄膜及硅系纳米复合薄膜的制备方法、生长机理、结构特征和光电性能等研究与发展状况,总结评述了其面临的主要问题、解决思路、以及应用和发展前景。采用等离子体化学气相沉积（PECVD）的方法制备了纳米硅（nc-Si:H）、纳米硅碳（nc-SiCx:H）、纳米硅氧（nc-SiOx:H）及硼、磷掺杂的纳米硅薄膜,并应用AFM、XRD、TEM、IR、UV、XPS、PL等分析测试方法,系统研究了不同制备条件下薄膜的结构特征和光电性能。测定并建立了薄膜的微结构与光电性能的对应关系,取得了一系列重要结论和创新性研究成果,为硅系纳米复合薄膜的制备和物性规律总结,及其进一步的应用研究打下了基础。成功获得了结构、性能良好的纳米硅薄膜,研究确定了其微观结构。所得纳米硅薄膜的结构是大量非晶网络包围纳米硅晶而形成的镶嵌式两相复合结构,薄膜结晶取向以Si（111）面为主,晶粒大小6～10nm左右,在薄膜网络中呈无序分布,晶态率最高可达60～70%。提出硅薄膜沉积的生长中心模型,从热力学反应基元的角度定性描述了纳米硅薄膜的生长过程。由于等离子体高频电场和基板温度提供的能量,硅氢等基团在基板表面形成若干生长中心,发生聚集、成核及生长然后成膜。研究了硅烷浓度、射频功率、衬底温度等工艺参数对薄膜形成过程中生长中心密度、晶化和生长过程的影响机制,获得了优化的等离子体化学气相沉积法制备纳米硅薄膜的工艺条件。生长中心过密或过疏都无法得到理想的纳米硅薄膜,硅烷浓度的升高、射频功率的增加都会提高生长中心密度,衬底温度则主要为原子在基板表面的迁移生长提供能量,衬底温度的升高有利于薄膜晶化和生长。用分子动力学的方法对硅薄膜的沉积过程进行了计算机模拟,发现薄膜沉积过程中沉积原子占有了系统中大多数的动能,降低了衬底原子的扩散能力,沉积

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第一章绪论

第二章文献综述

2.1 纳米硅薄膜的研究进展

2.1.1 纳米硅薄膜的制备方法

2.1.2 纳米硅薄膜的结构特征

2.1.3 纳米硅薄膜的光电特性及应用

2.2 纳米硅薄膜的掺杂研究

2.3 硅碳合金研究

第三章实验方法与设备

3.1 实验设备

3.2 材料分析测试方法

3.2.1 膜厚测试

3.2.2 原子力显微镜

3.2.3 X射线衍射

3.2.4 红外吸收光谱

3.2.5 紫外可见吸收光谱

3.2.6 X射线光电子能谱（XPS）

3.2.7 透射电镜（TEM）及高分辨电镜（HREM）

3.2.8 Raman光谱

3.2.9 光／暗电导测量

3.2.10 光致发光

第四章纳米硅（nc-Si：H）薄膜的制备及结构、性能研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果

4.3.1 氢稀释比对沉积nc-Si：H薄膜的影响

4.3.2 衬底温度对nc-Si：H薄膜的影响

4.3.3 射频功率对nc-Si：H薄膜的影响

4.4 分析与讨论

4.4.1 nc-Si：H薄膜的结构特征

4.4.2 纳米硅薄膜的生长机制

4.4.3 纳米硅薄膜生长过程的分子动力学模拟

4.4.4 制备条件对纳米硅薄膜光电性能的影响

4.5 小结

第五章硼、磷掺杂纳米硅薄膜研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果

5.3.1 硼掺杂对纳米硅薄膜的影响

5.3.2 磷掺杂对纳米硅薄膜的影响

5.4 分析与讨论

5.4.1 硼、磷掺杂纳米硅薄膜的结构特征

5.4.2 硼、磷掺杂纳米硅薄膜的光电特性

5.5 小结

第六章硅碳纳米复合薄膜研究

6.1 引言

6.2 实验方法

6.3 实验结果

6.3.1 掺碳浓度（乙烯比例）对硅碳纳米复合薄膜的影响

6.3.2 沉积温度对硅碳纳米复合薄膜的影响

6.4 分析与讨论

6.4.1 硅碳纳米复合薄膜的微结构及其生长过程

6.4.2 沉积条件对纳米硅碳薄膜光电性能的影响

6.5 小结

第七章硅氧纳米复合薄膜研究

7.1 引言

7.2 实验方法

7.3 实验结果

2O／SiH₄）对硅氧纳米复合薄膜的影响'>7.3.1 笑气比例（N₂O／SiH₄）对硅氧纳米复合薄膜的影响

7.3.2 沉积温度对硅氧纳米复合薄膜的影响

7.4 分析与讨论

7.5 小结

第八章结论

参考文献

致谢

附录：与博士学位论文相关的学术论文

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