钴掺杂非晶碳薄膜/硅异质结中的巨大光电导效应开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，碳基材料在材料科学的发展中大放异彩，碳基材料以其丰富的物理化学特性，在光敏器件、能源、存储及磁电阻器件等领域得到了广泛的应用。非晶碳(a-c)薄膜家族是各种器件应用的潜在候选半导体候选。由于其独特的双纳米结构，即在sp3杂化矩阵中嵌入sp2杂化纳米簇，它们具有优越的机械、电和磁性能。

为了丰富材料的性能，研究人员通过将不同的元素加入c膜，设计了特殊的纳米结构。虽然已经尝试了许多种类的掺杂剂，但只有镍和钴被证明是在a-c膜中自发地形成为金属纳米粒子的。众所周知，金属纳米颗粒已被广泛用于提高半导体的光电性能和电磁性能。特别是，金属纳米颗粒中的表面等离子体激元在设计高效的薄膜太阳能电池方面至关重要。探索嵌入在a-c薄膜中的金属纳米粒子所实现的新性能将是非常有趣的。

在过去，许多研究人员致力于在氮，碘或硼掺杂a-c/si异质结构中观察光伏效应。 然而，当纯a-c薄膜对白光照明不敏感时，光电导效应很少被报道。 由于它们的无序结构，光子吸收的能量被认为主要是为了从一个局域态过渡到另一个局域态而消耗的，而不是产生电子空穴对。但是我们通过研究嵌入在a-c层中的co纳米颗粒的co-c/si异质结构的光电导发现co嵌入在a-c层中的纳米粒子往往会利用光子能量来产生光子产生的载流子，从而减少了消耗。鉴于此，本论文主要是对在co纳米粒子的诱导作用下，co-c/si异质结构中出现巨大的光导电性的机理进行研究。

2. 研究内容和预期目标

实验内容：非晶碳薄膜材料作为一种物理特性高度可控的材料，其磁学特性吸引了广泛的关注。在非晶碳薄膜中注入不同的掺杂元素可提升该器件的性能。

本课题主要研究钴掺杂的非晶碳薄膜，通过光脉冲沉积的方法将它生长于n型硅衬底上，构建出非晶碳/硅异质结。在此异质结上，研究磁场对于电阻的调控，即磁电阻效应。

预期目标：掌握磁电阻方面的相关理论知识、第一性原理计算的基本知识。能够熟悉掌握准分子激光器、磁控溅射镀膜系统等仪器的操作，熟练样品制备的工艺流程。熟练操作squid磁场计测试基本磁性和磁热效应；掌握单晶x射线衍射仪选取高质量的单晶样品并对其作详尽的结构测试。熟悉origin分析实验数据、粉末x射线衍射数据的rietveld精修（rietica软件）、单晶x射线衍射数据的晶体结构解析（shelxtl软件）、利用原子力显微镜等表征样品形貌。培养综合运用专业及基础知识，解决实际问题的能力，培养探索新材料和物理机理的兴趣。

3. 研究的方法与步骤

本实验采用脉冲激光沉积法沉积钴碳薄膜和纯钴钙薄膜。用n型（111）硅和玻璃作基底。Si基底采用轻掺杂P型材料，电阻率为8-13Ωcm。在沉积之前，在乙醇中超声清洗Si基质，然后用丙酮，在稀释的HF溶液（10%）中蚀刻15分钟以去除SiO2，最后在去离子水中冲洗。将沉积室泵送至6×10^-6 mbar，并将基底加热至400℃。以纯度为99.99%的钴条（99.9%）的石墨盘作为目标。通过使用能量为320mJ/pulse、频率为5Hz的KrF准分子激光器进行沉积沉积10分钟。用扫描电子显微镜(SEM)观察样品（JEOL、JLSM-7001F）的表面形态和厚度（35nm）。用能量色散的X射线光谱法分析了Co的浓度，并达到了10%。 透射电子显微镜(TEM)采用FEI TecnaiG220扫描TEM在200K V下进行。 用514nm激光拉曼光谱对无序结构进行了鉴定，并测量了sp2/sp3比率。最后对实验结果及数据进行分析总结，完成毕业论文。

4. 参考文献

[1]f. zhuge, w. dai, c. l. he, a. y. wang, y. w. liu, m. li, y. h. wu, p. cui, and r.-w. li, nonvolatile resistive switching memory based on amorphous carbon, appl. phys. lett. 2010,96, 163505.

[2]m. ma, q. xue, h. chen, x. zhou, d. xia, c. lv, and j. xie, photovoltaic characteristics of pd doped amorphous carbon film/sio2/si, appl. phys. lett. 2010,97, 061902.

[3]a. m. m. omer, s. adhikari, s. adhikary, h. uchida, and m. umeno, photovoltaic characteristics of postdeposition iodine-doped amorphous carbon films by microwave surface wave plasma chemical vapor deposition, appl. phys. lett. 2005, 87, 161912.

5. 计划与进度安排

(1) 2022年03月01日-03月05日指导教师与学生联系，学生根据要求收集资料

(2) 2022年03月01日-03月05日下达毕业任务书

(3) 2022年03月01日-03月12日学生完成开题报告