● 摘要
薄膜材料和制备技术的研究在能源、信息、微电子工业等重要高新科技领域中发挥着越来越重要的作用。随着电子产品的微型化和智能化，对半导体薄膜尺寸及性能要求更高，而电子产品的价格越来越低，所以必须研究开发更加优异的工艺技术，探索性价比更高的材料来满足不同产品需求，在这些方面有很多工作有待研究。硒化铋（Bi2Se3）是Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体材料家族中重要的半导体材料，研究主要集中在光电和热电器件，由于其光电响应和热电转化效率都比较低，研究相对比较少。国内外对于Bi2Se3的研究是以结构低维化为主，通过制备Bi2Se3的纳米晶、纳米线阵列、纳米管、纳米片、纳米薄膜等，研究其结构和性能。就薄膜而言，研究相对较少。本文首先介绍了薄膜材料的应用领域，然后从硒化铋的晶体结构及能带结构角度，详细探讨了硒化铋材料的主要研究方向和国内外研究进展。本文以电子束蒸发镀膜机为主要的镀膜设备，探索了热蒸发（电阻加热）和电子束加热蒸发这两种镀膜机制中不同的工艺参数对薄膜结构、形貌及电学性能的影响。实验结果表明不管哪种镀膜方式，硅衬底上所得薄膜结晶性均比玻璃衬底的好。衬底不加热时，薄膜结晶性比较差，随着衬底温度的增大，薄膜结晶性逐渐增强，表面形貌也有所改变，随着衬底温度的增大，沉积原子的动能增大，导致表面的晶粒逐渐长大。由于所制备的薄膜结晶性比较差，跟粉末原料相比还相差很远，所以选择了对薄膜进行退火处理。首先使用的是真空管式炉退火，退火温度为300℃和400℃，时间2小时，实验结果显示，300℃退火以后， Bi2Se3部分被氧化成Bi2SeO2，表面形貌由颗粒状向条带状转变；400℃退火以后，硒化铋全部被氧化成Bi2SeO2，表面形貌也彻底转变成类似于条带状的结构，薄膜颜色由黑色转变成红褐色，与衬底结合力增强。也对真空原位退火处理进行了研究，退火温度分别为200℃、300℃、400℃，退火时间不变。经过退火处理以后，薄膜结晶性显著增强，玻璃衬底所得薄膜两种镀膜机制下，都是400℃退火所得薄膜结晶性最好，硅衬底薄膜电阻加热蒸发条件下300℃退火结晶性最好，电子束蒸发400℃退火结晶最好。除结构和形貌的表征外，还对薄膜进行了电学性能的测量，测试结果显示：无论哪种镀膜方式及工艺参数，硅衬底上所得薄膜电阻率均比玻璃衬底低，导电性好。在热蒸发镀膜过程中，经过真空室原位退火处理后样品的电阻率均降低一个数量级，且随着退火温度的增大而降低。而电子束蒸发镀膜中，退火处理后薄膜电阻率增大，但是随着退火温度的增大电阻率逐渐降低。