硅基材料制作、表征及其储锂性能研究

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1、硅基材料制作、表征及其储锂性能研究第一章绪论1.1引言进入二十一世纪以来，伴随着经济社会的迅速发展，能源作为最基本的驱动力显得更为重要。然而，全球不可再生能源（煤、石油、天然气等）的日益枯竭将会成为社会进一步发展的制约因素。同时，传统化石燃料的大量开发和使用也带来了严峻的环境污染和生态破坏问题。能源短缺和环境恶化已然成为人类社会必须关注和解决的两大问题。为了实现社会的可持续发展，开发和利用新型能源成为目前世界各国关注的焦点和重要的战略目标。根据国家自然科学基金委员会能源科学学科发展研究组发布的2011-2

2、020年我国能源科学学科战略报告，世界各国已纷纷加大了对新能源和可再生能源的技术研发，未来的能源结构和能源利用技术必然向低碳和零排放的方向发展。在众多的新能源中，太阳能由于其储量丰富，清洁无污染，成为能源发展战略的重中之重。太阳能电池等产品年产量一直保持30%以上的增长速率，被称为世界增长最快的能源。另一方面，二次电池作为化学能与电能的转化储存装置，在电能的存储上发挥着巨大的作用。在二次电池中，锂离子电池因具有较高的体积能量密度和质量能量密度、寿命长、无记忆效应和环境友好等优点，已经成为笔记本电脑、移动、

3、数码相机等电子产品的首选电源Pl。然而伴随着混合动力车，航天设备等的发展，对电源的容量，功率密度，循环稳定性，安全性提出了更高的要求，开发新型高容量、大倍率、长寿命的储锂材料是提高锂离子电池性能的关键，正成为当今锂离子电池研究的热点和方向。Si基材料作为目前应用最为广泛的太阳能电池材料，在进一步提高太阳能电池效率，降低电池成本研究方面仍然受到广泛的关注。同时，作为现代器件以及集成电路的主导性材料，在光探测器，高速场效应晶体管，传感器等应用研究方面对Si基材料也提出了更高的要求[68]。由于作为锂离子二次电

4、池的负极材料具有最高的质量比容量，较低的锂电位，硅材料更成为锂离子电池负极材料研究的热点。本章我们将主要对Si基材料的性质以及锂离子电池负极材料的发展做详细的介绍。1.2硅基薄膜的性质硅（Si)材料是整个微电子产业的基础，是目前太阳能电池产业的主导性材料，也是当前锂离子电池负极材料非常重要的研究对象。因此，研究硅材料的结构及其性质对其广泛的应用具有非常重要的意义。1.2.1硅薄膜的分类从微观结构上，Si薄膜材料主要可以分为非晶硅薄膜（a-Si)、微晶/纳米晶硅薄膜（pic/nc-Si)和多晶硅薄膜（pol

5、y-Si)。根据图1.1的示意结构我们可以看出，c-Si具有完整的晶体结构，是理想的半导体材料，属于第一代Si材料。a-Si不具有长程有序性，但在几个原子尺寸范围内保持短程有序，其键长和键角发生了一定的畸变。；/11(>81则是单晶硅与非晶硅的混相物质，是纳米量级的单晶硅粒镶嵌在非晶硅网络里。poly-Si主要是由较大尺寸（MOOnm)的单晶硅晶粒组成，且晶粒之间不存在非晶相，晶态比一般大于90%，能带结构与单晶硅相似，但界面区存在大量缺陷态，电学输运性质与单晶硅相差较大。第二章样品制备及其结构和特

6、性检测方法2.1Si基薄膜的制备方法Si基薄膜材料的制备方法很多，但总体上可以分为物理气相沉积（PVD)和化学气相沉积（CVD)两类。物理气相沉积方法主要有溅射法（包括射频溅射，磁控溅射等），电子束蒸发，离子辅助沉积和激光辅助沉积等[

7、-2]。与物理气相沉积不同，化学气相沉积过程中伴随着化学反应的发生。化学气相沉积直接用气体或者通过其他方法将固液体转化成气体作为反应源气体，通过光、电、磁以及热或者其他作用，使源气体发生分解、还原等化学反应，在衬底上沉积成膜。反应按照激发源的不同可以简单地分为低压化学气相沉

8、积，光化学气相沉积，热化学气相沉积以及等离子体化学气相沉积等。低压CVD的反应温度较高，对基底材料及材料结合性有特殊要求。用热蒸发或者溅射方法得到的薄膜质量较差，缺陷态密度较高，无法满足器件应用。本文中Si基材料的制备是通过等离子体化学气相沉积（PECVD)方法完成的，对金属衬底的处理有采用电化学沉积方法。因此，下面主要就PECVD方法以及电化学沉积方法做一简单的介绍。2.1.1等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积是集成了化学气相沉积技术和气体辉光放电的增强效应。它是采用辉光放电的物理作用来激活化学反

9、应集团，实现特殊条件下的气相反应沉积。在辉光放电产生的等离子体中，存在质量相差悬殊的电子和离子，他们各自达到其热力学平衡状态，这样就形成了所谓的等离子体电子温度和离子温度。电子温度比普通气体分子的平均温度约高10~100倍，其能量约为1~10eV。从宏观上讲，这种等离子体的温度并不高，但由于其内部处于受激发的状态，电子能量足以使气体分子键断裂，形成活性物质，发生了本该在高温下才能发生的化学反应，大大降低了反应所需要的温度。第三