文/李能能

氧化亞銅薄膜(Cu2O)的光學(xué)特性研究

文/李能能

將三塊相同的純銅片浸潤(rùn)在不同濃度的CuSO4溶液中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（12小時(shí)），每個(gè)銅片的表面生成一層Cu2O薄膜。通過(guò)樣品的反射光譜和光致發(fā)光（PL）圖譜研究了Cu2O薄膜的光學(xué)特性，并分析CuSO4溶液濃度對(duì)其光學(xué)特性的影響。實(shí)驗(yàn)中，由反射光譜測(cè)得Cu2O薄膜的光學(xué)帶隙為2.2eV。PL研究表明，薄膜在510nm和540nm處有光致發(fā)光峰，且不同濃度影響的只是光強(qiáng)度，峰位沒(méi)有變化。

Cu2O薄膜 CuSO4溶液 銅片

1 引言

氧化亞銅（Cu2O）是一種的P型半導(dǎo)體材料。由于制作原料易得，制作成本低廉，因此，P型Cu2O薄膜常被用于太陽(yáng)能電池材料。目前，對(duì)于N型氧化亞銅（Cu2O）薄膜的研究很少。Fernando CAN等人首次研究發(fā)現(xiàn)，將銅片在CuSO4溶液中浸泡若干天，在其表面生成了Cu2O薄膜，并且檢測(cè)到了N型光譜。該實(shí)驗(yàn)研究證明，銅片在電解質(zhì)溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在其表面有光電流信號(hào)。本文研究了將相同的銅片放于不同濃度的CuSO4溶液中，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，同時(shí)浸泡相同時(shí)間（12h），每個(gè)銅片表面生成了Cu2O薄膜，通過(guò)Cu2O薄膜的反射光譜和光致發(fā)光（PL）圖譜研究了Cu2O薄膜的光學(xué)特性，并研究了溶液濃度對(duì)Cu2O薄膜光學(xué)特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前，將大小均為2cm×2cm的三塊純銅片用酒精擦洗干凈。浸泡在濃度分別為10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L的CuSO4溶液中，浸泡12h，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每個(gè)銅片的表面都出現(xiàn)了Cu2O薄膜。用紫外-近紅外光線照射Cu2O薄膜，得到對(duì)應(yīng)的反射光譜，分析反射光譜，得到Cu2O薄膜光學(xué)帶隙；用激光（波長(zhǎng)為325 nm）照射Cu2O薄膜，得到光致發(fā)光（PL）光譜，通過(guò)PL光譜研究了溶液濃度對(duì)Cu2O薄膜光學(xué)特性的影響。

3 結(jié)果分析與討論

圖1為銅片在濃度為10-1mol/L CuSO4溶液完全浸潤(rùn)12h所制備Cu2O薄膜的紫外-近紅外反射光譜。從圖中可以看出薄膜的反射很弱，主要是由于生成的薄膜較厚，較致密。對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體Cu2O其吸收系數(shù)和與反射率以及光學(xué)帶隙滿足如下公式：

圖1：銅片在濃度為10-1mol/L CuSO4溶液完全浸潤(rùn)12h生成Cu2O薄膜的紫外-近紅外反射光譜

圖2：銅片在10-1mol/L CuSO4溶液中完全浸潤(rùn)12h的(αhv)2-hv的變化曲線

上式中，hv為光子能量，Eg為光學(xué)帶隙，A為常數(shù)，α為吸收系數(shù)，t為薄膜的厚度，R為反射率。作出(αhv)2-hv的關(guān)系圖，如圖2，吸收邊切線在橫坐標(biāo)上的截距即為光學(xué)帶隙?？梢缘贸鰳悠返墓鈱W(xué)帶隙為2.2 eV，與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的Cu2O(2.1～2.6 eV)[5,6]一致。

圖3為銅片在濃度分別為10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L CuSO4溶液中完全浸潤(rùn)12h所制備Cu2O薄膜的光致發(fā)光圖譜，激發(fā)光波長(zhǎng)為325nm。從圖片中可以看出，對(duì)應(yīng)于不同濃度在510nm（2.4 eV）和540nm（2.29 eV）附近都出現(xiàn)了一個(gè)較寬的峰位，這對(duì)應(yīng)于Cu2O的帶隙。結(jié)果表明，此處的發(fā)光現(xiàn)象由Cu2O的帶隙所致。實(shí)驗(yàn)表明，不同濃度下，峰位的強(qiáng)度改變，但是峰位沒(méi)有變化，所以帶隙保持不變。

3 結(jié)論

本文通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)方法制備Cu2O薄膜，該樣品可以用于太陽(yáng)能電池材料。室溫下，將銅片完全浸潤(rùn)在CuSO4溶液中，在其表面得到了Cu2O薄膜。通過(guò)Cu2O薄膜的反射光譜和光致發(fā)光（PL）圖譜研究了不同濃度下Cu2O薄膜的光學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣品的電導(dǎo)類型為N型，光學(xué)帶隙為2.2 eV。CuSO4溶液濃度不同，峰位的強(qiáng)度不同，但光學(xué)帶隙保持不變。該研究表明，N型氧化亞銅在制作疊層太陽(yáng)能電池方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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作者單位 西安航空學(xué)院 陜西省西安市 710070

李能能（1983-），女，甘肅省平?jīng)鍪腥恕４T士研究生。主要研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)。