稀土Eu、Nd、Y摻雜氧化物半導(dǎo)體CuAlO2的機(jī)制及性能研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜是一類(lèi)具有優(yōu)異光學(xué)特性、電學(xué)特性的半導(dǎo)體材料，在許多光電器件領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用，如平板顯示、太陽(yáng)能電池等。長(zhǎng)久以來(lái)，透明氧化物半導(dǎo)體器件的應(yīng)用一直受到限制，其中一個(gè)重要因素就是P型TCO電導(dǎo)率相對(duì)n型相差較大，所以制備性能優(yōu)異的P-CuAlO2材料便成為研究熱點(diǎn)，而一個(gè)行之有效的改性方法就是摻雜。本文引入稀土摻雜元素Eu、Nd、Y以及普通金屬摻雜元素Mg、Ni，采用檸檬酸絡(luò)合無(wú)機(jī)鹽的溶膠凝膠法制備摻雜CuAl

2、O2粉末，并通過(guò)冷壓成型燒結(jié)工藝壓制成陶瓷片。采用DSC-TGA、X射線衍射儀、紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)、四探針測(cè)試儀、阿基米德排水法等測(cè)試方法分析研究CuAl1-xMxO2粉末的形成過(guò)程、物相結(jié)構(gòu)、禁帶寬度、陶瓷導(dǎo)電性和致密度等，得出以下結(jié)論:
　　1).選擇了Eu、Nd、Y稀土元素RE作為摻雜元素，通過(guò)溶膠凝膠法制備稀土摻雜CuAlO2粉末。經(jīng)過(guò)300℃燃燒后干凝膠分解為CuO、Al2O3和RE2O3，中間相CuAl2O4合成溫

3、度約為750℃，CuAl1-xRExO2（x=0～3％）合成溫度約為1000℃，摻雜對(duì)于CuAlO2相的合成溫度影響不大。
　　2).在相同保溫時(shí)間條件下，煅燒溫度的升高有利于形成純相CuAlO2，減少CuO雜相，促進(jìn)摻雜元素溶入CuAlO2中，但在1150℃時(shí)CuAlO2發(fā)生逆反應(yīng)，開(kāi)始熱分解，所以可以確定出較好的合成溫度為1100℃;在1100℃保溫4小時(shí)形成的相結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定，延長(zhǎng)保溫時(shí)間相結(jié)構(gòu)并沒(méi)發(fā)生變化。摻雜量不大于1％時(shí)

4、，Eu、Nd、Y可以較好固溶進(jìn)晶格中，得到純相CuAlO2，而摻雜量繼續(xù)增多時(shí)，晶格畸變也不斷加大，便生成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的REAlO3(RE=Eu、Nd、Y)雜相，且隨著摻雜量增加雜相峰增大。
　　3).Eu、Nd、Y摻雜樣品平均帶隙寬度分別為3.52eV、3.58eV、3.64eV;對(duì)于摻Eu和Nd的樣品，禁帶寬度先減小后增加。在摻雜量不大于2％時(shí)，禁帶寬度分別減小到3.46eV和3.51eV，摻雜量大于2％時(shí)，禁帶寬度隨摻雜量增加

5、而增大。對(duì)于摻Y(jié)樣品則剛好相反，帶隙寬度先增加到3.78eV后再減小到3.53eV。
　　4).550MPa壓制，1100℃燒結(jié)的稀土摻雜CuAlO2陶瓷片，對(duì)于摻Eu和Y的樣品，電導(dǎo)率先增大后減小，在摻雜量為2％時(shí)電導(dǎo)率最高，分別為6.06×10-2S·cm-1和7.62×10-2S·cm-1，摻雜量3％時(shí)，電導(dǎo)率分別減小到5.26×10-2S·cm-1和5.15×10-2S·cm-1。對(duì)于摻Nd的樣品，電導(dǎo)率隨摻雜量增加而減小

6、，摻雜量0.5％時(shí)電導(dǎo)率為5.17×10-2S·cm-1，低于無(wú)摻雜的CuAlO2陶瓷（電導(dǎo)率約為5.52×10-2S·cm-1）。隨著摻雜量增加，陶瓷致密度先增大后減小，在摻雜量1％時(shí)最大，分別為85.35％（摻Eu）、84.78％（摻Nd）、84.53％（摻Y(jié)），在摻雜量3％時(shí)最小，分別為79.49％（摻Eu）、79.91％（摻Nd）、79.24％（摻Y(jié)），無(wú)摻雜樣品致密度可達(dá)到83.7％。
　　5).采用溶膠凝膠法把金屬元素

7、Mg、Ni融入到CuAlO2晶格中，在摻雜量超過(guò)5％時(shí)，開(kāi)始生成尖晶石結(jié)構(gòu)MAl2O4(M=Mg、Ni)，且摻雜量越大雜相峰強(qiáng)度越高。隨著摻雜量的增加，摻Mg樣品帶隙寬度從3.54eV減小到3.26eV，摻Ni樣品帶隙寬度從3.58eV減小到3.37eV。隨著摻雜量增加，冷壓燒結(jié)摻雜陶瓷的電導(dǎo)率減小，摻Mg樣品減小到0.34×10-2S·cm-1，摻Ni樣品減小到0.29×10-2S·cm-1，致密度則先小幅度增大然后減小。