基于Mg2Si薄膜的異質(zhì)結(jié)研究現(xiàn)狀

貴州師范學院物理與電子科學學院 念劉飛 余 宏 周筑文

貴州師范學院貴州省納米材料模擬與計算重點實驗室 徐 林

貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院 謝 泉

基于Mg2Si薄膜的異質(zhì)結(jié)研究現(xiàn)狀

貴州師范學院物理與電子科學學院 念劉飛 余 宏 周筑文

貴州師范學院貴州省納米材料模擬與計算重點實驗室 徐 林

貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院 謝 泉

1.前言

在半導體材料的應用范圍越來越廣的同時，由于其含有大量的有毒有害物質(zhì)而被廣泛關注，這時作為環(huán)境友好型材料的Mg2Si薄膜就應運而生了。Mg2Si由于其儲量豐富且廉價，還具備了耐腐蝕、無污染、抗氧化、無毒無害、能與傳統(tǒng)的Si工藝兼容等優(yōu)勢，被廣而深地分析研究，經(jīng)過了近幾年的努力研究，不斷地有新的研究成果出現(xiàn)，如在其光學特性和電子結(jié)構(gòu)的計算領域。因此，對Mg2Si薄膜異質(zhì)結(jié)等內(nèi)容進行研究，不僅可以提高Mg2Si薄膜的制備工藝，還能促進材料工程的進步。

2.Mg2Si的物理性質(zhì)

2.1Mg2Si的能帶結(jié)構(gòu)

隨著對Mg2Si異質(zhì)結(jié)的深入研究，大部分學者都認為Mg2Si是有種窄帶隙間接型（其帶隙大約寬0.118—0.8eV左右）的半導體材料，但是對于其具體數(shù)值等方面的爭議較大，且實驗中的測定值與理論上的計算數(shù)值相差甚遠。在光學吸收譜實驗過程中，俄羅斯Samsonov等學者，測出Mg2Si材料的帶隙有0.78eV；日本的Daiki Tamura等學者則做出了更精確的數(shù)據(jù)，在4K 下，Mg2Si晶體帶隙為0.74eV，而在300K下，Mg2Si晶體的帶隙值則為0.66eV。在理論計算方面，由于所選取的關聯(lián)函數(shù)、計算方法不同，其所得帶隙值差異較大，且經(jīng)過了1969年M.Y.Au-yang和1970年Aymerich F的經(jīng)驗贗勢計算方法，算出其間接的帶隙為0.53eV；1993年Cohen、Corkill的從頭算贗勢方法而計算出的帶隙寬度值為0.118eV；2002年、2003年Yoji Imai選取第一性原理贗勢法算出了Mg2Si材料的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)及其0.28eV和0.227eV的帶隙寬度等研究歷程，逐漸形成了差距較小的具體數(shù)據(jù)標準。

2.2Mg2Si的晶體結(jié)構(gòu)

Mg2Si的晶體結(jié)構(gòu)，是二元體系中位移一類相對穩(wěn)定的化合物，這樣的結(jié)構(gòu)在制作Mg2Si薄膜時有著天然的優(yōu)勢。Mg2Si具有FM3M（NO.225）的空間群、fcc（面心立方）晶格（其常數(shù)為a=0.635nm），同時具有反螢石的晶體結(jié)構(gòu)的特征。其中，鎂原子在硅原子所形成的面心立方結(jié)構(gòu)（邊長為a）中形成簡立方結(jié)構(gòu)（邊長為a/2），其單一的晶胞內(nèi)部有4個Si原子和8個Mg原子，但是由于其晶格結(jié)構(gòu)造成Mg2Si和Si的錯配度高達18%而不能形成以Si基片為基礎的厚度超過1nm的Mg2Si薄膜材料。

3.Mg2Si薄膜的制備工藝

依據(jù)相關學者對Mg2Si材料的光學性能和電子結(jié)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)來看，Mg2Si薄膜的制備工藝可以采用多種方式。例如，Dwlynch等學者在85—370k范圍內(nèi)的不同溫度進行紅外吸收譜試驗得出的光學帶隙能夠隨著溫度的變化而變化且其變化值為-5*10-4eV/K這一數(shù)據(jù)，在制作Mg2Si薄膜時可以采用熱蒸發(fā)法、IBS（離子束合成）、離子束濺射、PLD（脈沖激光沉積）、RD（反應擴散）、磁控濺射等工藝技術(shù)。

P.Boher等學者選取Si（111）及玻璃材料為基片，利用射頻衍射的方式將Mg2Si制備成了非結(jié)晶形式的W/Mg2Si多層薄膜；P.L.Janega等學者通過做好制備前的覆蓋500nm厚度的AL層準備工作后采用Si（100）基片與100NM厚的Mg進行熱反應來制作薄膜；W.K.Chu等學者讓Si基片與Mg薄膜在200K溫度的條件下生長Mg2Si等方式；楊云良，謝泉等學者在玻璃基片上制備單一相Mg2Si薄膜。

4.基于Mg2Si/Si的異質(zhì)結(jié)器件

1996年，Tompag S and Li Y B等研究Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，得出Mg2Si薄膜有很好的表面形貌，Si外延薄膜Mg2Si結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，且可以批量制作該異質(zhì)結(jié)的器件。

2004年，Goranova E等人采用的離子束合成方法制備了Mg2Si薄膜，但該實驗中的XRD測試結(jié)果顯示只存在Mg2Si相。2007年Atanassov等人采用離子束合成的方法制備了Mg2Si，根據(jù)紅外透射譜和拉曼，得到了Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的能帶圖。

2013年Konstantin N G與Nikolay G G等人通過用MBE的方法研究Si/2DMg2Si/Si（111）雙異質(zhì)的肖特基結(jié)構(gòu)，得出Mg原子可以擴散幾個μm到硅襯底形成Mg2Si。

2015年楊云良、謝泉等采用磁控濺射技術(shù)制備出Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)，并測試了基于Mg2Si/Si異質(zhì)結(jié)的LED器件光電性質(zhì)。

5.結(jié)語

Mg2Si薄膜具有反螢石結(jié)構(gòu)且無污染、耐腐蝕等特性，其可以被運用到功能性材料、結(jié)構(gòu)材料之中去。其中，Mg2Si薄膜異質(zhì)結(jié)在功能性材料中的運用前景，包括了熱電材料、電池材料（Guinet發(fā)現(xiàn)的儲氫能力、Rober.G.A發(fā)現(xiàn)Mg2Si薄膜在5-650mV電壓中能夠釋放的最大電容為830mAh/g等）；結(jié)構(gòu)材料主要是利用了Mg2Si薄膜異質(zhì)結(jié)低密度、高熔點、高彈性、高硬度的特征，主要增強用于AL基和Mg基復合材料的性能，但是其晶體顆粒的大小嚴重影響著復合材料的性能和質(zhì)量。Mg2Si薄膜的異質(zhì)結(jié)的制備以其特性的研究成為目前工作的重點。

［1］SONG R B等.Synthesis of Mg2Si1-xSnxsoild solution as thermoelectric materials by bulk mechanical alloying and hot pressing .［J］. Mater.Sci.Eng.B. 2007.136（2-3）：111-117.

［2］TANIJ，等.Thermoelectric properties of Sb-doped Mg2Si semiconductors［J］.Intermetallics.2007（15）：1202-1207.

［3］余宏，謝泉，肖清泉，陳茜.Mg2Si半導體薄膜的熱蒸發(fā)制備［J］.功能材料，2013，44（8）：1204-1207.

余宏，博士研究生，講師，現(xiàn)供職于貴州師范學院物理與電子科學學院，主要從事半導體材料與器件方向工作。

the National Natural Science Foundation of China （51503048） and the Construction Project of Key Laboratories from the Education Department of Guizhou Province （No. QJHKY［2015］329） and the grant of Guizhou Normal College （107003001455）；貴州省光電功能材料設計與模擬特色重點實驗室（黔教合KY［2014］217）；貴州省等離子體與功能薄膜材料科研創(chuàng)新團隊簡介（黔教合人才團隊字［2014］38）；貴州師范學院科研基金資助項目研究成果；國家自然科學基金項目（61264004）；貴州省科技攻關項目（黔科合GY字［2011］3015）；貴州省國際科技合作項目（黔科合外G字［2012］7004， ［2013］7003）；貴州省教育廳“125”重大科技專項項目（黔教合重大專項字［2012］003）。