文/李能能

氧化亚铜薄膜(Cu2O)的光学特性研究

文/李能能

将三块相同的纯铜片浸润在不同浓度的CuSO4溶液中，经过一定时间（12小时），每个铜片的表面生成一层Cu2O薄膜。通过样品的反射光谱和光致发光（PL）图谱研究了Cu2O薄膜的光学特性，并分析CuSO4溶液浓度对其光学特性的影响。实验中，由反射光谱测得Cu2O薄膜的光学带隙为2.2eV。PL研究表明，薄膜在510nm和540nm处有光致发光峰，且不同浓度影响的只是光强度，峰位没有变化。

Cu2O薄膜 CuSO4溶液 铜片

1 引言

氧化亚铜（Cu2O）是一种的P型半导体材料。由于制作原料易得，制作成本低廉，因此，P型Cu2O薄膜常被用于太阳能电池材料。目前，对于N型氧化亚铜（Cu2O）薄膜的研究很少。Fernando CAN等人首次研究发现，将铜片在CuSO4溶液中浸泡若干天，在其表面生成了Cu2O薄膜，并且检测到了N型光谱。该实验研究证明，铜片在电解质溶液中发生化学反应，在其表面有光电流信号。本文研究了将相同的铜片放于不同浓度的CuSO4溶液中，在相同的实验环境下，同时浸泡相同时间（12h），每个铜片表面生成了Cu2O薄膜，通过Cu2O薄膜的反射光谱和光致发光（PL）图谱研究了Cu2O薄膜的光学特性，并研究了溶液浓度对Cu2O薄膜光学特性的影响。

2 实验

实验前，将大小均为2cm×2cm的三块纯铜片用酒精擦洗干净。浸泡在浓度分别为10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L的CuSO4溶液中，浸泡12h，实验发现每个铜片的表面都出现了Cu2O薄膜。用紫外-近红外光线照射Cu2O薄膜，得到对应的反射光谱，分析反射光谱，得到Cu2O薄膜光学带隙；用激光（波长为325 nm）照射Cu2O薄膜，得到光致发光（PL）光谱，通过PL光谱研究了溶液浓度对Cu2O薄膜光学特性的影响。

3 结果分析与讨论

图1为铜片在浓度为10-1mol/L CuSO4溶液完全浸润12h所制备Cu2O薄膜的紫外-近红外反射光谱。从图中可以看出薄膜的反射很弱，主要是由于生成的薄膜较厚，较致密。对于直接带隙半导体Cu2O其吸收系数和与反射率以及光学带隙满足如下公式：

图1：铜片在浓度为10-1mol/L CuSO4溶液完全浸润12h生成Cu2O薄膜的紫外-近红外反射光谱

图2：铜片在10-1mol/L CuSO4溶液中完全浸润12h的(αhv)2-hv的变化曲线

上式中，hv为光子能量，Eg为光学带隙，A为常数，α为吸收系数，t为薄膜的厚度，R为反射率。作出(αhv)2-hv的关系图，如图2，吸收边切线在横坐标上的截距即为光学带隙。可以得出样品的光学带隙为2.2 eV，与相关文献报道的Cu2O(2.1～2.6 eV)[5,6]一致。

图3为铜片在浓度分别为10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L CuSO4溶液中完全浸润12h所制备Cu2O薄膜的光致发光图谱，激发光波长为325nm。从图片中可以看出，对应于不同浓度在510nm（2.4 eV）和540nm（2.29 eV）附近都出现了一个较宽的峰位，这对应于Cu2O的带隙。结果表明，此处的发光现象由Cu2O的带隙所致。实验表明，不同浓度下，峰位的强度改变，但是峰位没有变化，所以带隙保持不变。

3 结论

本文通过简单的化学方法制备Cu2O薄膜，该样品可以用于太阳能电池材料。室温下，将铜片完全浸润在CuSO4溶液中，在其表面得到了Cu2O薄膜。通过Cu2O薄膜的反射光谱和光致发光（PL）图谱研究了不同浓度下Cu2O薄膜的光学特性。实验发现，样品的电导类型为N型，光学带隙为2.2 eV。CuSO4溶液浓度不同，峰位的强度不同，但光学带隙保持不变。该研究表明，N型氧化亚铜在制作叠层太阳能电池方面具有潜在的应用价值。

[1]evaporation of cuprous oxide(Cu2O)[J].Vacuum,2008(82)：623-629.

[2]Fernando Can,Wethasingha S K.Solar energy materials and solar cells for use in photovoltaic thin film solar cells[J].Appl Phys D,1986(19)：125.

[3]Vipin Kumar,Sachin Kr Sharma,Sharma T P,et al.Band gap determination in thick films from reflectance m e a s u r e m e n t s[J].O p t i c a l Materials,1999,12：115-119.

[4]Pankove J I.Optical process in semiconductors [M].// New Jersey：Prentice Hall Inc,1971：34.

[5]Georgieva V,Risov M.Electrodeposited cuprous oxide on indium tin oxide for solar applications[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells,2002,73：67-73.

[6]Mohemmed Shanid N A,Abdul Khadar M. Evolution of nanostructure,phase transition and band gap tailoring in oxidized Cu thin films[J].Thin Solid Films,2008,516：6245-6252.

[7]Jiménez J A,Lysenko S,Liu H. Photoluminescence via plasmon resonance energy transfer in silver nanocomposite glasses [J].Journal of Applied Physics,2008,104：054313.

[8]Akimoto K,Ishizuka S,Yanagita M,et al.Thin film deposition of Cu2O and application for solar cells[J].I Solar Energy,2006,80：715-722.

作者单位 西安航空学院 陕西省西安市 710070

李能能（1983-），女，甘肃省平凉市人。硕士研究生。主要研究方向为光电检测。