【文章內容簡介】 e20As25Se55薄膜中則觀察到明顯的光致漂泊效應 .經氬離子激光輻照后 ,在薄膜中均觀察到明顯的光致結晶現象 。 光致暗化效應 光致暗化效應是指在一定強度光的輻照誘導下發(fā)生光學吸收邊向長波方向移動即紅移，此時薄膜的透射率減小 。 在硫系非晶薄膜中不論是可逆還是不可逆的結構變化都會產生吸收邊帶的平移（綠移或紅移），平移方向由材料決定 [6]。硫系非晶薄膜由于其特定的組成，因此在光輻照區(qū)的光子吸收將可能導致光致 暗化。光致暗化一般伴隨著折射率的改變， Tanaka和 Ohousuka測出硫化砷非晶薄膜發(fā)生光致暗化效應后，在 633nm處的折射率增加了 。 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學性能研究 4 對于硫系非晶薄膜中可逆的光致暗化效應的產生原因，人們做了大量的探索。最早是 Tanaka提出了但雙阱結構（ SDW）模型，后來又進一步與機構模型結合起來認為是是光照致硫原子扭曲造成的，但未弄清這種模型能否應用到鍺系玻璃中。后來 Elliott、 Utsuge、 Mizushima等人有提出了各種猜想，并做了大量試驗，認為光致暗化效應已材料、薄膜厚度、入射光通量、薄膜與襯底 之間的粘著度等因素有關。國內，劉啟明曾研究了 As2S Ge10As40S20Se30非晶薄膜的光敏性，圖 11為光照 3min時 As2S3非晶半導體薄膜光學吸收邊平移值的大小與激光功率大小關系曲線，圖 12為光照 3min時 As2S3非晶半導體薄膜光學吸收邊平移值的大小與激光輻照時間的關系曲線。從圖中可以看出，隨著激光功率和激光輻照時間的增大，薄膜的光學吸收邊的平移值增大，并最終趨于一種飽和狀態(tài)。 圖 11光照 3min時光學吸收邊平移 量與光強的關系 圖 12 激光輻照強度為 50mW光學吸收邊與光照時間的 關系 到現在為止，對于光致暗化效應產生機理始終沒有達成統一的觀點，還需要進一步研究。 光致漂白效應 光致漂白效應與光致暗化效應相反，是在光照作用下，光學吸收邊向短波方向移動，即綠移。武漢理工大學周學東教授等研究了脈沖激光沉積法制備的 Ge（ S90Se10） 2硫系非晶薄膜的光致漂白效應。該實驗利用 X射線衍射（ XRD）技術分別測試了在不同光強、不同照射時間以及不同溫度情況下的薄膜的吸收光譜。當薄膜經過 Hg紫外光照射 90分鐘后， Eg從 ，達到飽和狀態(tài)，此時觀寧波大學 信息 學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 察到明顯的光致漂白效應。認為光 致漂白效應與硫系薄膜的結構和電子 特性有緊密的聯系。與暗化效應一樣，光致漂白效應的具體機理至今 仍然不太清楚，有待進一步深入研究。 光致結晶效應 光致結晶就是光致相變。硫系非晶 薄膜在沉積過程中 ,在玻璃襯底上形成具有結構疏松排列無序的非晶態(tài)。當激光輻照薄膜到一定程度 ,這些原子會重新排列 ,局部形成一種有規(guī)則有序網絡結構 ,在局部形成晶體，也就是析出晶體。對于析晶的薄膜 ,若再用高功率或短脈沖激光進行輻照時 ,薄膜熔化 ,此時快速冷卻 ,薄膜又會從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài) ,即該析晶過程可以通過調節(jié)外部條件來實現可逆的轉變 。 這種光學轉換 行為自從 記錄型的電學轉換行為是相似的。 Te81Ge15Sb2S2體系的相態(tài)變化，并提出了一種與光學和電學轉換行為緊密相關的一種模型，認為從非晶到晶體的相變過程不僅是一種熱現象，也受光致過剩電子 空穴載體產生的影響。在這種模型中這種現象的可逆性是由于光的有無而導致的結晶速率的巨大不同而引起的。在許多硫化物半導體薄膜中人們已經觀察到快速光致結晶。劉啟明、 干福熹等于 2020年對 As2S3非晶 薄膜在激光作用下的性能結構做了相關研究，圖 13中（ a）、（ b）、（ c）分別是 As2S3 非晶半導體薄膜未經激光輻照和經 20 mW ,100 mW激光強度輻照3min后的 SEM圖像。從 3幅圖片對比可以看出 , As2S3非晶半導體薄膜經激光輻照有晶相析出 ,并且隨著激光功率的增大而增多。 圖 13 As2S3非晶半導體薄膜的 SEM 圖 能量帶隙 能量帶隙是基質中導帶與禁帶的能量差，一般比光學帶隙稍高，約為 。在吸收光譜中，紫外區(qū)域的光吸收由基質內部本征吸收決定，吸收邊沿所對應的光子能量稱 為光學帶隙。光學帶隙是能量帶隙的一種表現形式，與基質中導帶到禁帶的電子躍遷有直接聯系?；|中原子之間鍵強越強，原子的連接越緊密，導帶與禁帶之間的分離就越大，光學帶隙也就越大。因此，能量帶隙也越大。 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學性能研究 6 在硫系非晶薄膜中，由于原子之間都是通過鏈狀形式連接而成網絡結構，結構比較疏松， 原子之間連接不緊密，硫屬原子之間的鍵強較小，導帶和禁帶之間的分離將會不大。因此，硫系薄膜的能量帶隙相對時較小的。 英國南安普頓大學等利用化學氣相沉積法制備出 GeSbS三元 硫系非晶薄膜，并測量了其光學帶隙。認為在硫系非晶半導體中缺 少晶體結構，不需要考慮聲子的動量，電子進行直接躍遷。圖 14是在折射率 n=2時所測量的薄膜的光學帶隙與組分之間的關系。容易看出，隨著 Sb含量的增多，薄膜的光學帶隙逐漸減小。 圖 14 CVD法制備的 GeSbS薄膜的光學帶隙與 Sb含量的關系 硫系薄膜的應用 由于科學技術的飛速發(fā)展，光電功能材料成為一類非常重要的功能材料，在信息、激光、計算機、自動化、航空航天以及現代化國防技術中有廣泛而重要的應用 [7]。各種新型光電薄膜器件與薄膜技術正在相輔相成地不斷開拓中，光電薄膜器件的產品也以 %的年增長率發(fā) 展著 [812]。 全息記錄 全息存儲提供了一種全新的存儲方式．其特點是大容量、高密度、高冗余度、高衍射效率、低噪聲、高分辨率和高保真度．通過計算機制成的全息圖，可將數量巨大的組合圖像進行記錄，并能很好地平衡其顏色，為電子文字和圖像處理系統開辟了嶄新的前景。 早在 1975年， Sakae Zembutsu、 Yoshio Toyoshima等就研究了以 S和 Se為主要成分的硫系非晶薄膜的特性及在超級全息膠片的應用。實驗表明 AsSeSGe非晶薄膜在加熱或光輻照時折射率變化很大，適合全息相存儲；具有很高的分辨率 ；光敏性可逆，適合于在同一記錄點處進行信息的擦除和重寫功能；易于獲得大面積薄膜等優(yōu)點適合于全息存儲。 硫系玻璃中的光誘導相變現象可望應用于光學海量存儲上。聚焦的激光通過誘導相變來寫入信息，通過鑒別無定形相和晶相的反射光的差別來讀出信息，銻基硫化物玻璃有望成為在這方面最適合的材料。 寧波大學 信息 學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 由于光在介質中傳輸特性，全光波長轉化器的主要缺點是不易于集成。隨著硫系非晶材料的研究的深入，這個問題正在逐步解決。硫系非晶薄膜的高折射率，增大了光波導的彎曲程度，便于器件的集成。 2020年， 澳大利亞國立大學 CUDOS用 As2S3非晶薄膜 成功制作出了基于四波混頻的 40Gb/s，轉換帶寬為 80nm的寬帶波長換轉器。該轉換器體積小，質量輕，轉換精確無錯誤，功率損失低至 。目前利用硫系非晶薄膜制作出更長、轉換速度更快、集成度更高的波長轉化器正在研究中。 . 光學器件 高的光 敏性、高的溶解能量、容易制備、組分可調等優(yōu)點是硫系非晶薄膜越來越受到人們的關注，而折射率比石英玻璃高 2— 3個數量級更是使它成為集成光學器件研究的焦點。澳大利亞國立大學激光物理中心實現了集成波長轉換器、光解復用器、光存儲和光交換為一體的處理速率高達 640Gb/s 的硫系光子芯片，被譽為下一代因特網數據處理中心。 波長轉換器 波長轉換器就是 將非匹配波長上的光信號轉到符合要求的波長上。 它是ＷＤＭ的系統中的最重要的部分之一， 提高網絡的靈活性，消除波長競爭，同時優(yōu)化 WDM網絡的運行，維護管理。 目前實現波長變換技術主 要分為兩大類：光／電／光（ＯＥＯ）波長變換和全光波長變換 (AOWC)。光／電／光型的波長變換器對信號具有再生功能，電信號的參與使其具有開銷處理的功能，允許光信號的輸入動態(tài)范圍較大。但是其電處理技術應用使網絡節(jié)點乃至網絡的吞吐量變 小，且響應速度慢，形成 “ 電子瓶頸 ” 。全光波長變換主要有：基于半導體光放大器 (SOA)的交叉增益調制 (XGM)、交叉相位調制 (XPM)和四波混頻 (FWM)效應實現的波長變換技術。全光波長變換因其無需光電 (OE)/電光 (EO)轉換器件，不受光信號格式 (SignalFormat)以及位速率 的限制，利用光的非線性效應轉換速度快，使光子網絡具有透明性等優(yōu)點而受到關注。 由于光在介質中傳輸特性，全光波長轉化器的主要缺點是不易于集成。隨著硫系非晶材料的研究波長轉換器就是 將非匹配波長上的光信號轉到符合要求的波長上。 它是ＷＤＭ的系統中的最重要的部分之一， 提高網絡的靈活性，消除波長競爭，同時優(yōu)化 WDM網絡的運行，維護管理。 目前實現波長變換技術主要分為兩大類：光／電／光（ＯＥＯ）波長變換和 全光波長變換 (AOWC)。光／電／光型的波長變換器對信號具有再生功能，電信號的參與使其具有開銷處理的功能，允許光信號的輸入動態(tài)范圍較大。但是其電處理技術應用使網絡節(jié)點乃至網絡的吞吐量變 小，且響應速度慢，形成 “ 電子瓶頸 ” 。全光波長變換主要有：基于半導體光放大器 (SOA)的交叉增益調制 (XGM)、交叉相位調制 (XPM)和四波混頻 (FWM)效應實現的波長變換技術。全光波長變換因其無需光電 (OE)/電光 (EO)轉換器件，不受光信號格式 (SignalFormat)以及位速率的限制，利用光的非線性效應轉換速度快，使光子 網絡具有透明性等優(yōu)點而受到關注。 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學性能研究 8 的深入，這個問題正在逐步解決。硫系非晶薄膜的高折射率，增大了光波導的彎曲程度，便于器件的集成。 2020年， 澳大利亞國立大學 CUDOS用 As2S3非晶薄膜 成功制作出了基于四波混頻的 40G/s的寬帶波長換轉器。該轉換器體積小，質量輕，轉換精確無錯誤，功率損失低至 。目前利用硫系非晶薄膜制作出更長、轉換速度更快、集成度更高的波長轉化器正在研究中 。 太陽能電池 目前市場上應用的太陽能電池還仍然是以單晶硅或多晶硅電池為主，但薄膜太陽能被公認為是未來太陽能發(fā)展的主要方向，并已成為國際上研究最多的太陽電池技術之這是因為薄膜太陽電池具有生產制造成本低、能量回收期短、便于大面積連續(xù)生產等突出優(yōu)勢。它另外一個特點是可被制成柔性可卷曲形狀，這使得其應用環(huán)境更加廣泛，例如在建筑光伏一體化、荒漠電站等領域均具有廣闊的應用前景。近些年來，薄膜電池技術發(fā)展迅速，部分技術已經實現大規(guī)模生產。中國在薄膜電池基礎研究方面已經取得了較大進展，部分成果已經達到國際先進水平，為大規(guī) 模產業(yè)化打下了良好的基礎。目前，中國的研究機構與產業(yè)界正密切合作，積極進行薄膜太陽電池的中試或產業(yè)化技術與設備的攻關。 硫系非晶薄膜的能隙與組分和制作工藝燈諸多因素有關，可以調控，因此可以通過能隙調控增大電池效率。目前，碲化鎘非晶薄膜已經廣泛應用于太陽能電池了。碲化鎘是直接的能系半 導體，其能隙寬度與太陽光譜有很好的匹配，而且它的能隙較寬，在較高的溫度下也能正常工作，具有很好的抗輻射性能。此外碲化鎘太陽能電池由多晶薄膜，制作工藝相對簡單。 因此，碲化鎘太陽電池應用前景非常廣闊，尤其適合于高原及荒漠電站、外太空及 深空間電源，以及用作聚光電池。 國際上碲化鎘薄膜太陽電池的研究和制造十分活躍，以美國的可再生能源國家實驗室 (NREL)為首，該實驗室采用 CdSnO4／ ZnSn04復合膜作為透明前電極制作出的電池仍保持小面積碲化鎘電池的最高效率紀錄 16． 5％。另外德國 ANTEC公司、西班牙 CIEMAT公司、瑞士 ETH 大學、比利時 Gent大學等采用 Te／ w2Te3作為背接觸層們制備的小中國碲化鎘太陽電池的發(fā)展也頗受關注，但研究工作起步較晚。2020年，四川大學太陽能組研制出了面積為 0． 52 c： rfl2的碲化鎘太陽電池，轉換 效率達 11． 6％ 。這項成果為中國碲化鎘太陽電池的發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻，榮獲中國高校技術發(fā)明二等獎?！笆濉逼陂g，小面積電池制造技術有了進一步提高，該組制備的電池效率達到 13． 38％ ，再次創(chuàng)造出中國碲化鎘太陽電池的轉換效率紀錄，接近國際領先水平。面積電池的最高轉換效率在 10％～ 13％之間。以碲化物為代表 的化合物電池已經實現了低成本的大規(guī)模生產寧波大學 信息 學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 2 GeSbSe 薄膜制備方法 薄膜制備的常見方法 磁控濺射法 （ RF） 濺射是離子對物體表面轟擊時所可能發(fā)生的物理過程之一。每一種物理過程的相對重要性取決于入射離 子的能量。利用不同能量的離子與固體表面相互作用過程不同，不僅可以實現原子的濺射，還可以觀察到諸如離子注入 (離子能量 1000keV)、 離子的蘆瑟福背散射 (1MeV)等。 只有當入射離子能量超過一定的閥值以后、才會出現被濺射物表面濺射。每一種物質 的濺射閥值與入射離子的種類關系不大、但是與被濺射物質的升華熱有一定的比例關系。 隨著入射離子能量的增加、濺射產額