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直流磁控溅射工艺参数对β-FeSi_2薄膜性能的影响
引言
β-FeSi_2薄膜是一种重要的光伏材料，其在太阳能电池中具有良好的性能。而磁控溅射技术是制备这种薄膜的常用手段。在磁控溅射过程中，工艺参数的调整对β-FeSi_2薄膜的性能有着重要的影响。因此，本文将探讨直流磁控溅射工艺参数对β-FeSi_2薄膜性能的影响。
材料与方法
使用PVD-75O磁控溅射设备制备β-FeSi_2薄膜。以高纯度的β-FeSi_2为靶材，薄膜基底采用单晶硅衬底。通过改变直流磁控溅射过程中的工艺参数，包括工作气压、Ar与H2混合比例、溅射功率以及衬底温度，研究这些参数对β-FeSi_2薄膜性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和霍尔效应仪等工具对样品进行表征。
结果与分析
1.工作气压的影响
在磁控溅射过程中，工作气压是一个非常重要的参数，它对薄膜成分、结构、光学性质和电学性质等方面都有着影响。对β-FeSi_2薄膜制备过程中，工作气压逐渐从5×10^-3Pa增加到1×10^-2Pa、2×10^-2Pa和3×10^-2Pa。研究结果表明，随着工作气压的增加，薄膜的晶格常数发生变化，低(111)面晶粒的尺寸变小。当工作气压达到2×10^-2Pa时，β-FeSi_2薄膜的结晶度达到最优值。同时，随着工作气压的增加，薄膜的电阻率也逐渐升高，归因于薄膜中Fe原子比例的减少。
2.Ar与H2混合比例的影响
在本实验中，Ar与H2的混合比例逐渐从10:90增加到20:80、30:70和40:60。研究发现，当混合比例为30:70时，β-FeSi_2薄膜的晶粒尺寸最小，薄膜的透射率最高，且薄膜的光学能隙最小。这提示混合比例为30:70时，溅射沉积能够促进β-FeSi_2晶格的形成。
3.溅射功率的影响
当溅射功率的值随着加热功率的提高分别为40W、50W、60W和70W时，β-FeSi_2薄膜的形态、晶型和面向(111)面的结晶度变化很小。但是，随着溅射功率的逐渐提高，薄膜的电阻率也随之升高，归因于薄膜中Fe原子比例的减少。这表明，不同溅射功率的β-FeSi_2薄膜，其物理性态基本保持一致，在实际制备过程中可以灵活调节。
4.衬底温度的影响
随着衬底温度的逐渐升高，光学反射率和薄膜表面的粗糙度逐渐增加，而透射率逐渐降低。衬底温度较高时，β-FeSi_2薄膜表面和基底之间存在晶格位错，这可能会影响材料的电学性能。因此，保持衬底温度相对稳定可以从根本上避免薄膜性能的降低。
结论
本文通过对β-FeSi_2薄膜制备过程中的工艺参数进行研究，探讨了这些参数对薄膜基础性能的影响。结果表明，工作气压、Ar与H2混合比例、溅射功率和衬底温度是影响制备β-FeSi_2薄膜性能的关键参数。在实际制备过程中，应根据实际情况调节这些参数来优化β-FeSi_2薄膜的性能。本研究为β-FeSi_2薄膜的应用提供了重要的参考。