氧化亞銅薄膜(Cu2O)的光學特性研究

文/李能能

氧化亞銅薄膜(Cu2O)的光學特性研究

文/李能能

將三塊相同的純銅片浸潤在不同濃度的CuSO4溶液中，經過一定時間（12小時），每個銅片的表面生成一層Cu2O薄膜。通過樣品的反射光譜和光致發光（PL）圖譜研究了Cu2O薄膜的光學特性，并分析CuSO4溶液濃度對其光學特性的影響。實驗中，由反射光譜測得Cu2O薄膜的光學帶隙為2.2eV。PL研究表明，薄膜在510nm和540nm處有光致發光峰，且不同濃度影響的只是光強度，峰位沒有變化。

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薄膜常被用于太陽能電池材料。目前，對于N型氧化亞銅（Cu2O）薄膜的研究很少。Fernando CAN等人首次研究發現，將銅片在CuSO4溶液中浸泡若干天，在其表面生成了Cu2O薄膜，并且檢測到了N型光譜。該實驗研究證明，銅片在電解質溶液中發生化學反應，在其表面有光電流信號。本文研究了將相同的銅片放于不同濃度的CuSO4溶液中，在相同的實驗環境下，同時浸泡相同時間（12h），每個銅片表面生成了Cu2O薄膜，通過Cu2O薄膜的反射光譜和光致發光（PL）圖譜研究了Cu2O薄膜的光學特性，并研究了溶液濃度對Cu2O薄膜光學特性的影響。

2 實驗

實驗前，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，實驗發現每個銅片的表面都出現了Cu2O薄膜。用紫外-近紅外光線照射Cu2O薄膜，得到對應的反射光譜，分析反射光譜，得到Cu2O薄膜光學帶隙；用激光（波長為325 nm）照射Cu2O薄膜，得到光致發光（PL）光譜，通過PL光譜研究了溶液濃度對Cu2O薄膜光學特性的影響。

3 結果分析與討論

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。對于直接帶隙半導體Cu2O其吸收系數和與反射率以及光學帶隙滿足如下公式：

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12h的(αhv)2-hv的變化曲線

上式中，hv為光子能量，Eg為光學帶隙，A為常數，α為吸收系數，t為薄膜的厚度，R為反射率。作出(αhv)2-hv的關系圖，如圖2，吸收邊切線在橫坐標上的截距即為光學帶隙。可以得出樣品的光學帶隙為2.2 eV，與相關文獻報道的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12h所制備Cu2O薄膜的光致發光圖譜，激發光波長為325nm。從圖片中可以看出，對應于不同濃度在510nm（2.4 eV）和540nm（2.29 eV）附近都出現了一個較寬的峰位，這對應于Cu2O的帶隙。結果表明，此處的發光現象由Cu2O的帶隙所致。實驗表明，不同濃度下，峰位的強度改變，但是峰位沒有變化，所以帶隙保持不變。

3 結論

本文通過簡單的化學方法制備Cu2O薄膜，該樣品可以用于太陽能電池材料。室溫下，將銅片完全浸潤在CuSO4溶液中，在其表面得到了Cu2O薄膜。通過Cu2O薄膜的反射光譜和光致發光（PL）圖譜研究了不同濃度下Cu2O薄膜的光學特性。實驗發現，樣品的電導類型為N型，光學帶隙為2.2 eV。CuSO4溶液濃度不同，峰位的強度不同，但光學帶隙保持不變。該研究表明，N型氧化亞銅在制作疊層太陽能電池方面具有潛在的應用價值。

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作者單位 西安航空學院 陜西省西安市 710070

李能能（1983-），女，甘肅省平涼市人。碩士研究生。主要研究方向為光電檢測。