磁控濺射制備多層鉬摻雜TiO2薄膜的光電性能.pdf

1、TiO2薄膜在紫外光照下可表現(xiàn)出光催化和超親水特性，且由于TiO2薄膜本身強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此在太陽(yáng)能電池、光分解水制氫、自清潔玻璃等諸多領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于TiO2的禁帶寬度較大(Eg=3.20 eV)，其價(jià)帶內(nèi)的電子難以被可見(jiàn)光激發(fā)，故而只有在其禁帶寬度得到縮減后才能表現(xiàn)出較為理想的光電性能。
　　研究表明，金屬離子摻雜是減小TiO2薄膜禁帶寬度的重要途徑，也是提高其光電轉(zhuǎn)化效率的有效方式。在眾多的金屬

2、離子中，由于Mo原子直徑與Ti很接近，在被摻入TiO2薄膜后能夠有效取代Ti4+、從而有效提高TiO2在可見(jiàn)光下的載流子濃度。不過(guò)，在較高的摻雜濃度下、Mo原子也可能成為T(mén)iO2晶格中的間隙原子，這會(huì)增大晶格缺陷、并最終導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率的降低。因此，Mo的摻雜量存在一個(gè)適宜的濃度，過(guò)量Mo摻雜會(huì)增大載流子復(fù)合率，而最佳摻雜量又會(huì)隨著摻雜方式的不同而變化。
　　本文通過(guò)磁控濺射制備了不同Mo摻雜量的Mo-TiO2薄膜，確定了磁控濺射

3、條件下TiO2薄膜中Mo的最佳摻雜量，考察了Mo含量對(duì)薄膜帶寬、表面形貌、晶格結(jié)構(gòu)以及光電流強(qiáng)度的影響。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)射頻磁控共濺射制備了多層結(jié)構(gòu)的Mo摻雜TiO2薄膜，研究了載流子在結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的多層薄膜內(nèi)的遷移特性，發(fā)現(xiàn)特定的多層結(jié)構(gòu)能夠憑借所植入的內(nèi)電場(chǎng)加速載流子分離，顯著地提高光電轉(zhuǎn)換效率。我們對(duì)內(nèi)電場(chǎng)的植入途徑、結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)作用機(jī)制做了探討。為消除薄膜與導(dǎo)電金屬基板之間的肖特基勢(shì)壘對(duì)載流子傳輸?shù)牟焕绊?，本文憑借

4、極高摻雜量將勢(shì)壘厚度壓縮到納米以下、從而首次成功利用隧道效應(yīng)消除了多層TiO2薄膜中這一勢(shì)壘的負(fù)面作用。與均勻摻雜的最佳樣品相比，基于隧道結(jié)的多層薄膜可實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的倍增。具體發(fā)現(xiàn)包括:
　　1.均勻Mo摻雜時(shí)，在TiO2薄膜中摻入的Mo以Mo6+和Mo5+兩種價(jià)態(tài)存在;隨著摻雜Mo含量的增加，Mo-TiO2薄膜的晶粒尺寸逐漸減小，晶格畸變?cè)龃?，吸收閾值顯著紅移;薄膜的禁帶寬度先減小后增大，在Mo摻雜量2.7 at.％時(shí)禁帶

5、寬度最小;Mo摻雜量0.9 at.％的樣品在氙燈下的光生電流最大，且隨著所加陽(yáng)極偏壓的提高光生電流并未呈現(xiàn)出飽和的趨勢(shì)。此后隨著摻雜量的提高，薄膜的光生電流開(kāi)始下降，當(dāng)Mo摻雜量達(dá)到3.6 at.％時(shí)，薄膜的光電流小于未摻雜的樣品。這表明適當(dāng)濃度的Mo摻雜能夠提高M(jìn)o-TiO2薄膜光電性能，光生電流最大可達(dá)未摻雜的2.4倍。摻雜可以有效減小薄膜的禁帶寬度，較高濃度（2.7 at.％)的均勻摻雜能夠?qū)⒔麕挾扔?.70 eV縮減到3.20

6、 eV，不過(guò)此時(shí)過(guò)高的摻雜濃度形成了過(guò)量的品格缺陷，過(guò)高的復(fù)合率降低了光電轉(zhuǎn)換效率;
　　2.在雙層薄膜結(jié)構(gòu)中，在均勻摻雜的Mo-TiO2薄膜表面覆蓋未摻雜的純TiO2層后，所得的雙層結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出更為優(yōu)異的吸收、光電特性。如在均勻摻雜的Mo-TiO2薄膜底部加入更高濃度的Mo摻雜層，樣品對(duì)可見(jiàn)光的吸收特性并無(wú)明顯改善，光電轉(zhuǎn)換效率反而會(huì)肖特基勢(shì)壘的影響而降低。然而，將底部高濃度摻雜層的Mo含量提高到1020 cm-3，再依次覆蓋均勻

7、Mo摻雜與未摻雜TiO2層后，所得三層樣品體現(xiàn)出最高的光電轉(zhuǎn)化效率。該三層結(jié)構(gòu)中，底部高濃度摻雜層厚度以10～20 nm為宜，過(guò)厚的厚度會(huì)使得電子在經(jīng)過(guò)該層時(shí)復(fù)合率激增，從而降低了載流子濃度。
　　3.多層薄膜中，隨著摻雜量的提高，基板與底層薄膜間的肖特基勢(shì)壘不斷增強(qiáng)，并逐漸取代高復(fù)合率、成為阻礙載流子遷移的主要因素。對(duì)多層作用機(jī)制的深入研究發(fā)現(xiàn):底層摻雜濃度高于1020 cm-3時(shí)，薄膜底部的肖特基勢(shì)壘對(duì)載流子擴(kuò)散的負(fù)面特性消失