基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究毕业设计论文(编辑修改稿)

基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

e20As25Se55薄膜中则观察到明显的光致漂泊效应 .经氩离子激光辐照后 ,在薄膜中均观察到明显的光致结晶现象。 光致暗化效应 光致暗化效应是指在一定强度光的辐照诱导下发生光学吸收边向长波方向移动即红移，此时薄膜的透射率减小。 在硫系非晶薄膜中不论是可逆还是不可逆的结构变化都会产生吸收边带的平移（绿移或红移），平移方向由材料决定 [6]。 硫系非晶薄膜由于其特定的组成，因此在光辐照区的光子吸收将可能导致光致 暗化。 光致暗化一般伴随着折射率的改变， Tanaka和 Ohousuka测出硫化砷非晶薄膜发生光致暗化效应后，在 633nm处的折射率增加了。 基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究 4 对于硫系非晶薄膜中可逆的光致暗化效应的产生原因，人们做了大量的探索。 最早是 Tanaka提出了但双阱结构（ SDW）模型，后来又进一步与机构模型结合起来认为是是光照致硫原子扭曲造成的，但未弄清这种模型能否应用到锗系玻璃中。 后来 Elliott、 Utsuge、 Mizushima等人有提出了各种猜想，并做了大量试验，认为光致暗化效应已材料、薄膜厚度、入射光通量、薄膜与衬底 之间的粘着度等因素有关。 国内，刘启明曾研究了 As2S Ge10As40S20Se30非晶薄膜的光敏性，图 11为光照 3min时 As2S3非晶半导体薄膜光学吸收边平移值的大小与激光功率大小关系曲线，图 12为光照 3min时 As2S3非晶半导体薄膜光学吸收边平移值的大小与激光辐照时间的关系曲线。 从图中可以看出，随着激光功率和激光辐照时间的增大，薄膜的光学吸收边的平移值增大，并最终趋于一种饱和状态。 图 11光照 3min时光学吸收边平移 量与光强的关系 图 12 激光辐照强度为 50mW光学吸收边与光照时间的 关系 到现在为止，对于光致暗化效应产生机理始终没有达成统一的观点，还需要进一步研究。 光致漂白效应 光致漂白效应与光致暗化效应相反，是在光照作用下，光学吸收边向短波方向移动，即绿移。 武汉理工大学周学东教授等研究了脉冲激光沉积法制备的 Ge（ S90Se10） 2硫系非晶薄膜的光致漂白效应。 该实验利用 X射线衍射（ XRD）技术分别测试了在不同光强、不同照射时间以及不同温度情况下的薄膜的吸收光谱。 当薄膜经过 Hg紫外光照射 90分钟后， Eg从 ，达到饱和状态，此时观宁波大学 信息 学院本科毕业设计（论文） 5 察到明显的光致漂白效应。 认为光 致漂白效应与硫系薄膜的结构和电子 特性有紧密的联系。 与暗化效应一样，光致漂白效应的具体机理至今 仍然不太清楚，有待进一步深入研究。 光致结晶效应 光致结晶就是光致相变。 硫系非晶 薄膜在沉积过程中 ,在玻璃衬底上形成具有结构疏松排列无序的非晶态。 当激光辐照薄膜到一定程度 ,这些原子会重新排列 ,局部形成一种有规则有序网络结构 ,在局部形成晶体，也就是析出晶体。 对于析晶的薄膜 ,若再用高功率或短脉冲激光进行辐照时 ,薄膜熔化 ,此时快速冷却 ,薄膜又会从晶态变为非晶态 ,即该析晶过程可以通过调节外部条件来实现可逆的转变。 这种光学转换 行为自从 记录型的电学转换行为是相似的。 Te81Ge15Sb2S2体系的相态变化，并提出了一种与光学和电学转换行为紧密相关的一种模型，认为从非晶到晶体的相变过程不仅是一种热现象，也受光致过剩电子 空穴载体产生的影响。 在这种模型中这种现象的可逆性是由于光的有无而导致的结晶速率的巨大不同而引起的。 在许多硫化物半导体薄膜中人们已经观察到快速光致结晶。 刘启明、 干福熹等于 2020年对 As2S3非晶 薄膜在激光作用下的性能结构做了相关研究，图 13中（ a）、（ b）、（ c）分别是 As2S3 非晶半导体薄膜未经激光辐照和经 20 mW ,100 mW激光强度辐照3min后的 SEM图像。 从 3幅图片对比可以看出 , As2S3非晶半导体薄膜经激光辐照有晶相析出 ,并且随着激光功率的增大而增多。 图 13 As2S3非晶半导体薄膜的 SEM 图 能量带隙 能量带隙是基质中导带与禁带的能量差，一般比光学带隙稍高，约为。 在吸收光谱中，紫外区域的光吸收由基质内部本征吸收决定，吸收边沿所对应的光子能量称 为光学带隙。 光学带隙是能量带隙的一种表现形式，与基质中导带到禁带的电子跃迁有直接联系。 基质中原子之间键强越强，原子的连接越紧密，导带与禁带之间的分离就越大，光学带隙也就越大。 因此，能量带隙也越大。 基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究 6 在硫系非晶薄膜中，由于原子之间都是通过链状形式连接而成网络结构，结构比较疏松， 原子之间连接不紧密，硫属原子之间的键强较小，导带和禁带之间的分离将会不大。 因此，硫系薄膜的能量带隙相对时较小的。 英国南安普顿大学等利用化学气相沉积法制备出 GeSbS三元 硫系非晶薄膜，并测量了其光学带隙。 认为在硫系非晶半导体中缺 少晶体结构，不需要考虑声子的动量，电子进行直接跃迁。 图 14是在折射率 n=2时所测量的薄膜的光学带隙与组分之间的关系。 容易看出，随着 Sb含量的增多，薄膜的光学带隙逐渐减小。 图 14 CVD法制备的 GeSbS薄膜的光学带隙与 Sb含量的关系 硫系薄膜的应用 由于科学技术的飞速发展，光电功能材料成为一类非常重要的功能材料，在信息、激光、计算机、自动化、航空航天以及现代化国防技术中有广泛而重要的应用 [7]。 各种新型光电薄膜器件与薄膜技术正在相辅相成地不断开拓中，光电薄膜器件的产品也以 %的年增长率发 展着 [812]。 全息记录 全息存储提供了一种全新的存储方式．其特点是大容量、高密度、高冗余度、高衍射效率、低噪声、高分辨率和高保真度．通过计算机制成的全息图，可将数量巨大的组合图像进行记录，并能很好地平衡其颜色，为电子文字和图像处理系统开辟了崭新的前景。 早在 1975年， Sakae Zembutsu、 Yoshio Toyoshima等就研究了以 S和 Se为主要成分的硫系非晶薄膜的特性及在超级全息胶片的应用。 实验表明 AsSeSGe非晶薄膜在加热或光辐照时折射率变化很大，适合全息相存储；具有很高的分辨率 ；光敏性可逆，适合于在同一记录点处进行信息的擦除和重写功能；易于获得大面积薄膜等优点适合于全息存储。 硫系玻璃中的光诱导相变现象可望应用于光学海量存储上。 聚焦的激光通过诱导相变来写入信息，通过鉴别无定形相和晶相的反射光的差别来读出信息，锑基硫化物玻璃有望成为在这方面最适合的材料。 宁波大学 信息 学院本科毕业设计（论文） 7 由于光在介质中传输特性，全光波长转化器的主要缺点是不易于集成。 随着硫系非晶材料的研究的深入，这个问题正在逐步解决。 硫系非晶薄膜的高折射率，增大了光波导的弯曲程度，便于器件的集成。 2020年， 澳大利亚国立大学 CUDOS用 As2S3非晶薄膜 成功制作出了基于四波混频的 40Gb/s，转换带宽为 80nm的宽带波长换转器。 该转换器体积小，质量轻，转换精确无错误，功率损失低至。 目前利用硫系非晶薄膜制作出更长、转换速度更快、集成度更高的波长转化器正在研究中。 . 光学器件 高的光 敏性、高的溶解能量、容易制备、组分可调等优点是硫系非晶薄膜越来越受到人们的关注，而折射率比石英玻璃高 2— 3个数量级更是使它成为集成光学器件研究的焦点。 澳大利亚国立大学激光物理中心实现了集成波长转换器、光解复用器、光存储和光交换为一体的处理速率高达 640Gb/s 的硫系光子芯片，被誉为下一代因特网数据处理中心。 波长转换器 波长转换器就是 将非匹配波长上的光信号转到符合要求的波长上。 它是ＷＤＭ的系统中的最重要的部分之一， 提高网络的灵活性，消除波长竞争，同时优化 WDM网络的运行，维护管理。 目前实现波长变换技术主 要分为两大类：光／电／光（ＯＥＯ）波长变换和全光波长变换 (AOWC)。 光／电／光型的波长变换器对信号具有再生功能，电信号的参与使其具有开销处理的功能，允许光信号的输入动态范围较大。 但是其电处理技术应用使网络节点乃至网络的吞吐量变 小，且响应速度慢，形成 “ 电子瓶颈 ”。 全光波长变换主要有：基于半导体光放大器 (SOA)的交叉增益调制 (XGM)、交叉相位调制 (XPM)和四波混频 (FWM)效应实现的波长变换技术。 全光波长变换因其无需光电 (OE)/电光 (EO)转换器件，不受光信号格式 (SignalFormat)以及位速率 的限制，利用光的非线性效应转换速度快，使光子网络具有透明性等优点而受到关注。 由于光在介质中传输特性，全光波长转化器的主要缺点是不易于集成。 随着硫系非晶材料的研究波长转换器就是 将非匹配波长上的光信号转到符合要求的波长上。 它是ＷＤＭ的系统中的最重要的部分之一， 提高网络的灵活性，消除波长竞争，同时优化 WDM网络的运行，维护管理。 目前实现波长变换技术主要分为两大类：光／电／光（ＯＥＯ）波长变换和 全光波长变换 (AOWC)。 光／电／光型的波长变换器对信号具有再生功能，电信号的参与使其具有开销处理的功能，允许光信号的输入动态范围较大。 但是其电处理技术应用使网络节点乃至网络的吞吐量变 小，且响应速度慢，形成 “ 电子瓶颈 ”。 全光波长变换主要有：基于半导体光放大器 (SOA)的交叉增益调制 (XGM)、交叉相位调制 (XPM)和四波混频 (FWM)效应实现的波长变换技术。 全光波长变换因其无需光电 (OE)/电光 (EO)转换器件，不受光信号格式 (SignalFormat)以及位速率的限制，利用光的非线性效应转换速度快，使光子 网络具有透明性等优点而受到关注。 基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究 8 的深入，这个问题正在逐步解决。 硫系非晶薄膜的高折射率，增大了光波导的弯曲程度，便于器件的集成。 2020年， 澳大利亚国立大学 CUDOS用 As2S3非晶薄膜 成功制作出了基于四波混频的 40G/s的宽带波长换转器。 该转换器体积小，质量轻，转换精确无错误，功率损失低至。 目前利用硫系非晶薄膜制作出更长、转换速度更快、集成度更高的波长转化器正在研究中。 太阳能电池 目前市场上应用的太阳能电池还仍然是以单晶硅或多晶硅电池为主，但薄膜太阳能被公认为是未来太阳能发展的主要方向，并已成为国际上研究最多的太阳电池技术之这是因为薄膜太阳电池具有生产制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产等突出优势。 它另外一个特点是可被制成柔性可卷曲形状，这使得其应用环境更加广泛，例如在建筑光伏一体化、荒漠电站等领域均具有广阔的应用前景。 近些年来，薄膜电池技术发展迅速，部分技术已经实现大规模生产。 中国在薄膜电池基础研究方面已经取得了较大进展，部分成果已经达到国际先进水平，为大规 模产业化打下了良好的基础。 目前，中国的研究机构与产业界正密切合作，积极进行薄膜太阳电池的中试或产业化技术与设备的攻关。 硫系非晶薄膜的能隙与组分和制作工艺灯诸多因素有关，可以调控，因此可以通过能隙调控增大电池效率。 目前，碲化镉非晶薄膜已经广泛应用于太阳能电池了。 碲化镉是直接的能系半 导体，其能隙宽度与太阳光谱有很好的匹配，而且它的能隙较宽，在较高的温度下也能正常工作，具有很好的抗辐射性能。 此外碲化镉太阳能电池由多晶薄膜，制作工艺相对简单。 因此，碲化镉太阳电池应用前景非常广阔，尤其适合于高原及荒漠电站、外太空及 深空间电源，以及用作聚光电池。 国际上碲化镉薄膜太阳电池的研究和制造十分活跃，以美国的可再生能源国家实验室 (NREL)为首，该实验室采用 CdSnO4／ ZnSn04复合膜作为透明前电极制作出的电池仍保持小面积碲化镉电池的最高效率纪录 16． 5％。 另外德国 ANTEC公司、西班牙 CIEMAT公司、瑞士 ETH 大学、比利时 Gent大学等采用 Te／ w2Te3作为背接触层们制备的小中国碲化镉太阳电池的发展也颇受关注，但研究工作起步较晚。 2020年，四川大学太阳能组研制出了面积为 0． 52 c： rfl2的碲化镉太阳电池，转换 效率达 11． 6％。 这项成果为中国碲化镉太阳电池的发展做出了开创性的贡献，荣获中国高校技术发明二等奖。 “十五”期间，小面积电池制造技术有了进一步提高，该组制备的电池效率达到 13． 38％ ，再次创造出中国碲化镉太阳电池的转换效率纪录，接近国际领先水平。 面积电池的最高转换效率在 10％～ 13％之间。 以碲化物为代表 的化合物电池已经实现了低成本的大规模生产宁波大学 信息 学院本科毕业设计（论文） 1 2 GeSbSe 薄膜制备方法 薄膜制备的常见方法 磁控溅射法 （ RF） 溅射是离子对物体表面轰击时所可能发生的物理过程之一。 每一种物理过程的相对重要性取决于入射离 子的能量。 利用不同能量的离子与固体表面相互作用过程不同，不仅可以实现原子的溅射，还可以观察到诸如离子注入 (离子能量 1000keV)、 离子的芦瑟福背散射 (1MeV)等。 只有当入射离子能量超过一定的阀值以后、才会出现被溅射物表面溅射。 每一种物质 的溅射阀值与入射离子的种类关系不大、但是与被溅射物质的升华热有一定的比例关系。 随着入射离子能量的增加、溅射产额。