電化學-熱法製備p型氧化鎳薄膜如何誕生影響的？

文|科普有譜

編輯|科普有譜

«——【·前言·】——»

從理論上和實驗性的方面人們發現它的絕緣行為不能用通常的NiO以面心立方結構結晶，其中每個晶格位置對應於局域密度近似和哈伯德模型來描述。

它考慮了電子具有兩個原子Ni和0以及晶格參數的鹼基排斥，在理論處理中必須加以考慮。取決於生長過a=b=c=4.18A，Ni-0距離為2.09A。

由於低形成能，Ni0可以表現出p型半導體特性。電學上，Ni0被認為是一種絕緣體範圍從3.5到4.2eV的帶隙能量和國家創新中心空缺.由於Ni0的特性、低成本和優異的化學穩定性，已經研究了它在幾個技術領域中的應用。

它的p型特性允許在光電子學中的應用，例如具有寬範圍波長的發光二極體。

最近，報道了使用p-Ni0/n-InN/n-GaN多層結構開發具有近紅外電致發光的二極體。

此外，Ni0已經應用於晶體管的製造，電致變色裝置，超級電容酒和太陽能電池等人也研究了超快速光譜學中的應用使用Ni0的單晶。巨大的技術吸引力證明了對這種材料的研究是正確的。

薄膜形式的Ni0通常通過化學和物理技術獲得，例如化學氣相沉積，溶膠-凝膠，電子束蒸發，電沉積，以及射頻和DC磁控濺射合成Ni0的另一種方法是陽極電沉積Ni2薄膜。

然後進行熱處理，儘管這種方法沒有廣泛使用27，28將Ni在300°C的空氣中加熱120分鐘導致兩種產物的形成，預期的Ni0膜和水蒸氣，如化學反應。

鎳兩個在本工作中，通過管式爐中的熱處理從Ni薄膜中獲得NiO薄膜。

在不同的溫度和鎳鹽濃度條件下，用陽極電沉積法製備了氫氧化鎳薄膜。這種電化學熱途徑具有在器件表面上直接生長層以獲得p-Ni0/n-Si結的優點，有助於用低成本技術將Ni0膜集成到微製造工藝中。

用掃描電子顯微鏡、電子顯微鏡分析了表面形貌形態隨加熱溫度而變化。X射線衍射表徵和X射線光電子能譜表明熱處理後發生了向NiO的相變。電學表徵揭示了膜的p型特徵，並顯示了電阻率對加熱溫度的依賴性。

«——【·實驗步驟·】——»

1.膜的作用

在這項工作中，薄膜是在n型硅襯底上用三電極電化學池和20W商用熒光燈光輔助電沉積生長的，熒光燈放置在離襯底表面5cm處。

使用NiSO4-6H20電解溶液，其中加入十二烷基硫酸鈉作為表面活性劑和KOH每100ml溶液12ml以增加最終溶液的pH值。

採用了兩種濃度的硫酸鎳溶液為0.50和0.75M，以及沉積期間電解質溶液的兩個溫度10和20℃。

沉積的膜是其在環境老化後自發轉化為先前的中詳細描述的這些薄膜是通過在管式爐中在空氣氣氛中熱處理獲得Ni0層的前體。

2.溫度影響

爐子的溫度在30分鐘內從30℃線性升高到溫度100度之後溫度在100度保持恆定120分鐘，最後關掉爐子。

所採用的溫度值值為400，600和800℃。為了便於樣品的命名表中1樣品A對應於使用濃度為0.50M的硝酸鈉的電解溶液生長的膜。同樣，通過圖像和機械分析由熱處理產生的膜的表面形態和厚度的變化。

所有SEM圖像都是在加速電位為5.0kV，工作距離為3.0mm，傾斜度為358度為了減少充電的影響，使用了「智能掃描」，通過該掃描，電子束掃描樣品的非相鄰線，從而為每條掃描線提供更長的放電時間。

在SEM測量之前沒有沉積金屬塗層。用XRD和XPS對其結構和組成進行了表徵。

使用X射線系統在配置中進行測量輻射。實驗室使用帶有X射線分析室內的基本壓力約為19pa。在測量之前，使用Ar離子對薄膜表面進行清洗處理，以減少吸附污染物的存在。

單個高能量解析度光譜芯能級是用一種能量獲得的0.02V的步長和發射的能量通過15.5電子伏的電子。用於擬合的包絡峰的Ni的之間的水平差為17.6V。

根據外來碳中的烴峰校準光譜。電力從二極體型電流，電壓曲線獲得膜的電阻率。

我們可以使用帶有各種離子，質子的實驗模型來對實驗結 果進行預言。我們都知道對於這種數理學實驗來說是用於測量曲線的雙觸點結構示意圖。膜樣品D的曲線，以及Ni0膜樣品D4、D6和D8的曲線。

進行充電跟放電循環後，獲得Ni膜的電阻率，發現電阻率值為104cm。

該值比樣品d測得的值低一個數量級。這種差異可歸因於由於使用不同的合成方法而導致的不同濃度的電活性缺陷。

在溫度為400攝氏度下熱處理樣品D後，發生了Ni0的相變測得的電阻率為4.6×104cm。

«——【·實驗結果與討論·】——»

1.形態變化

實驗結果顯示了熱處理之前和Ni0熱處理之後的膜的形態。

所有圖像都是在同等條件下獲得的。樣品A、B、C和D具有相似的多孔結構，到孔隙率的輕微增加，保持了初始形態的特徵。為了標準化化，前體多孔膜的破裂是由於由溫度激活的物種擴散。

當溫度為800°C時，擴散過程促進了緻密團聚體的形成。使用歸一化厚度分析了不同熱處理對膜厚度的影響，歸一化厚度通過將處理膜的厚度除以前體膜的厚度來計算。前體膜的厚度分別為100、100、100和160納米。

用熱處理前後的薄膜進行了表徵，結果證實前體膜對應於，並且在溫度300、400、600、800℃時，這些層經歷了向Ni0的不完全和完全相變。

它顯示了溫度為800度熱處理過程之前和之後的樣品的圖。對於樣品發現了對應於相的平面和的兩個峰。前驅體層經熱處理後的形貌演變，所有圖像都是在傾斜358度的情況下獲得的。

變化而降低，表明它改善了結晶度薄膜歸一化厚度隨加熱溫度Ta的變化。

認為溫度為「室溫」對應於未經熱處理的薄膜，其厚度範圍為100-150nm。

與結構的比較對於樣品A8、B8、C8和D8，差示圖呈現對應於平面的三個峰所有圖像為400納米。從這些衍射峰計算的晶格參數為4.178A，，這表明Ni0膜的晶體結構是鬆弛的，沒有應力。

2.實驗差別性

最近，我們研究了粘合接頭的模式二實驗測試。

端載分離是所選擇的測試。此外，還開發了一種獲得內聚定律的分析方法，該方法利用了實驗載荷位移數據。結果表明內聚律獨立於測試類型，結果也與積分方法一致，驗證了所提出的方法。

用於損傷模型也適用於擴展有限元法是基於貝爾迪提出的統一划分概念。雖然最初的建議不適用於長裂縫或3D情況，但莫斯將該方法擴展到此類情況。

允許在不需要預定義路徑的情況下模擬裂紋萌生和擴展，從而成功實現裂紋擴展，儘管實施所需的理論和公式不在本工作範圍內，但可在參考資料中找到。

根據假設的磨損情況，最新的模型計算對超相對論重離子碰撞中旁觀者系統的激發能量給出了非常不同的預測，存在理論工具來計算作為預測激發能量的函數的旁觀者時空演化，不同假設情景之間的差異通常會隨著碰撞影響參數的降低而迅速增加。

對應於相的XRD峰在熱處理後消失，表明在整個薄膜中存在完全的相變。它顯示了兩個最強的峰成分表徵數字顯示了帶的高能量解析度XPS譜，其分別對應於相的XPS光譜解卷積，3a在853.7處出現峰值，前驅體層經熱處理後的形貌演變。

所有圖像都是在傾斜358度的情況下獲得的。

這些峰的半峰全寬隨著加熱溫度的變化而降低，表明Ta改善了結晶度薄膜歸一化厚度隨加熱溫度的變化。這表明Ni0膜的晶體結構是鬆弛的，沒有應力。

對應於XRD峰在熱處理後消失，表明在整個薄膜中存在完全的相變。Ni0相可能是在通過濺射清潔表面的過程中形成的。

對未進行該清潔程序的樣品的測量未顯示該Ni0峰的存在，然而，我們發現進行清潔程序以除去除Ni和o之外的不需要的表面元素更為方便。

861.0和864.8V處的寬峰對應於帶的伴隨峰。其可能是由於清潔表面的離子轟擊而產生的，然而，對854-858V範圍內的峰的鑒定仍有爭議。

一些實驗研究表明樣品A和A8獲得的芯能級的XPS光譜有貢獻的峰的解卷積和鑒定。

它顯示了在簇模型中用於識別Ni0的XPS峰的八面體和金字塔形對稱性這些峰對通過離子轟擊進行的表面處理高度敏感，離子轟擊在照射區域產生點缺陷，通常被解釋為已經表明表面濺射過程產生暴露表面上的氧不足。

因此預計Ni化合物會降低熱處理產生的Ni0結構中的點缺陷例如Ni空位的存在沒有被丟棄，並且也可能對854-858V範圍內的XPS光譜有貢獻。

考慮Ni0中能級團簇模型的最新理論光電子能譜計算可以更好地識別每個峰。在這種方法中，認為四方Ni06和金字塔形Ni05團簇具有氧空位的插入與Ni2+離子具有電子構型的Ni0以及由3d8i、3d9Li和3d10L2i狀態的線性組合表示的基態。

其中L表示02p能帶中的一個空穴，理論上預測了五個峰，並在其中相應XPS光譜中進行了鑒定。第一個峰位於853.70V，對應於的Ni態。在855.25eV處的第二個峰對應於氧空位，其由金字塔形的Ni0團簇模擬。

在我們的例子中，這些空位可能是由用於清潔表面的濺射過程產生的856.45V處的第三個峰與非局域電子的屏蔽過程有關，即位於相鄰簇中的電子。

重疊長度、粘附體厚度和R效應由它們評估。數值技術通過來自平面的實驗數據得到驗證。結果表明，當使用延性粘合劑時，成正比具有相反的效果。相反，在存在脆性粘合劑的情況下，這些參數對它沒有顯著影響。

另一方面，它沒有影響隨著幾何形狀進一步接近平坦的。

使用與複合材料中的粘合劑層和層間斷裂面代表的內聚元素相關聯的剛度退化變數來分析數值失效模式。該變數測量內聚單元的剛度損失，它在0和1之間變化，第一個代表未損壞的內聚單元，最後一個代表失效的內聚單元。

最後，第四和第五個峰值在864.0和860.8V被分配給狀態，並且通常被稱為電荷轉移衛星。簇模型沒有預測到衛星峰附近處的峰並且通常被認為是衛星頻帶的一部分。

獲得所有樣品的XPS光譜，考慮到這些峰的面積，計算Ni0的帶處的峰的百分比貢獻，注意，Ni0峰的強度隨著加熱溫度的升高而逐漸降低。

這種降低可能是由於點缺陷的形成，例如直接影響Ni0相化學計量的鎳和氧空位。這一論點是加強了貢獻的增加峰的百分比貢獻，NiO5峰值隨溫度變化，代表Vo濃度的增加。另一方面，對應於非局部屏蔽的峰的強度沒有顯示出對加熱溫度的系統依賴性。

為了確定b-Ni和Ni0膜的電阻率，使用兩點探針法，其中一個觸點蒸發的在膜的頂部具有0.14的面積，另一個觸點增益合金在硅襯底的背面具有25的面積，Cr的作用僅僅是提高Au和b-Ni或NiO層之間的粘附性。

之前提到的Si和Cr膜都是歐姆接觸。因為前體膜在較高的濃度和溫度下呈現出具有較少空隙的界面，我們將在下面描述作為D組樣品C溶液為0.75M，溶液為20°C加熱溫度函數的Au/Cr/film/n-Si/GaIn結構的電學測量。

室溫下的電流，電壓曲線圖中給出了真實情況。

«——【·筆者觀點·】——»

通過電沉積生長的薄膜已經被證明是通過熱途徑獲得晶態Ni0薄膜的良好前體。我們發現，在400℃的溫度下熱處理產生了從Ni到Ni0的完全相變，並且更高的溫度600和800℃提高了結晶度，改變了表面形態並減小了Ni0膜的厚度。

發現在溫度為800度處理的膜的歸一化厚度HN僅取決於前體膜的電沉積溫度。電阻率值為b-Ni的測量值為2.5×105cm。

對於Ni0層，電阻率從4.6×104變化到2.3×106厘米，隨加熱溫度增加從400到800攝氏度，這是較高的值。

«——【·參考文獻·】——»

1，劉亞文，《p型一氧化鎳薄膜的電化學和熱合成及其表徵》。

2，肖恩，《用電化學方法製備的p型一氧化鎳薄膜對結構和光學性能的影響》。

3，鄧一，《太陽能電池p型一氧化鎳薄膜的電化學合成》。

4，宋桐，《電沉積法對p型一氧化鎳薄膜的合成與表徵》。