3d过渡金属掺杂氮化铜薄膜的制备、性能及应用研究

氮化铜是一种具有较低热分解温度、较高电阻率、对红外和可见光的反射率分解前后有明显差别的材料,可用于光存储器件和集成电路中,近年来受到广泛重视。由于氮化铜晶体中的铜原子未占据(111)面的密堆积位置而具有体心空位，通过在其体心空位中填充其它原子,可实现对材料的性能的有效调变。目前关于该方面的研究主要集中在掺杂的实现，对性能的针对性调变还少见报道，尤其对磁性能的调变还未进行。本项目选取与铜属同一周期，且具有奇数个3d电子的过渡金属-钒、锰、钴，采用磁控双靶反应共溅射镀膜法，制备掺杂的氮化铜薄膜。通过与具有偶数个3d电子的过渡金属进行掺杂结构、含量和热、电、磁性能调变的实验和理论比较，探寻这种占位与掺杂原子结构、价层电子数及晶体中s、p-d电子交换作用的关系；重点研究磁性原子占位掺杂实现对薄膜磁性能的调变，得到具有磁性能的掺杂氮化铜系列半导体薄膜，并探索这种薄膜在存储、太阳能光伏等领域的应用。

氮化铜(Cu3N)是一种具有特殊结构和性能的材料，近年来受到广泛关注。氮化铜具有较低的热分解温度、高的电阻率，且廉价无毒。它在真空中360℃左右就可以分解成铜单质实现较低温度金属化(2Cu3N→6Cu+N2)，且对红外和可见光的反射率与分解产物铜有明显差别，这使其在光存储器件和高速集成电路中具有诱人的应用潜力。由于Cu3N晶体中的铜原子并没有占据(111)面的密堆积位置，使得这种具有体心空位的晶体结构为调变材料的性能提供了可能，如果其它原子填充到晶体的体心空位，将会引起其电学和光学性质的显著变化。按照项目任务书的要求，课题组按计划顺利开展了该项目研究，较好地完成了任务书的相关内容。具体内容如下：.首先进行了磁控溅射制备氮化铜薄膜的工艺参数研究，重点研究了氮气流量、氮气分压、溅射功率等参数对氮化铜薄膜结构和性能的影响，获得了制备纯Cu3N的适宜工艺条件，同时，还分别实现了（100）和（111）晶面的择优生长，为后续掺杂实验研究奠定了较好基础；.其次进行了所有3d过渡金属（钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍）及稀土金属分别掺杂氮化铜的第一性原理计算研究，分析了过渡金属的3d电子数及稀土金属的4f电子数对掺杂氮化铜的结构和性能的影响规律，这些规律对于氮化铜的掺杂实验及应用研究具有重要的指导意义；.第三进行了所有3d过渡金属分别掺杂氮化铜薄膜的实验研究，分别研究了同一掺杂金属不同含量对薄膜结构和性能的影响，以及不同金属相同含量掺杂对薄膜结构和性能的影响。结果表明，掺杂含量较低时，对结构影响较少，每一金属都存在一个掺杂量上限，超过这个阈值就不能形成氮化铜结构。.第四进行了氮化铜薄膜及掺杂氮化铜薄膜的应用研究，重点研究了其在光存储和集成电路方面的应用，设计了三种结构的基于氮化铜薄膜的光存储器件以及三种形式的基于氮化铜薄膜的集成电路板的制备方法。同时，还利用氮化铜薄膜制备了光存储原型器件，实现了信息的存储与读取，并且还尝试用金属氧化物保护层提高了这种存储器的精度。.为了深入研究掺杂金属对氮化铜结构和性能的影响规律，课题组增加了稀土金属掺杂氮化铜的理论计算，并与过渡金属掺杂进行了比较。由于磁性元素掺杂氮化铜薄膜的磁性较弱，对于实现磁性半导体的制备及应用研究还有欠缺，有待进一步的深入研究。有关掺杂薄膜在太阳能电池方面的应用也还在进一步探索之中，锰掺杂氮化铜薄膜已呈现出较好的光响应特性。