以 Mg2Si 烧结靶为靶材, 采用磁控溅射法在Si、石英和 Al2O3 衬底上先沉积一层 Mg2Si 非晶薄膜, 再进行退火处理, 研究了衬底类型、退火温度及退火时间对 Mg2Si 多晶薄膜结构的影响。结果表明: Si、石英、Al2O3 三种衬底上 Mg2Si 薄膜的最优退火温度和退火时间均为 350 °C 和 1 h。Al2O3 衬底上的 Mg2Si 薄膜结晶质量最佳, Si 衬底上的薄膜次之, 石英衬底上的薄膜结晶质量最不理想, 分析表明这种差异主要源于衬底与薄膜之间的热失配不同。

以Er2O3-Mg2Si-Yb2O3为三元复合烧结助剂, 制备了力学性能优异的高导热氮化硅陶瓷, 研究了Er2O3-Mg2Si-Yb2O3体系对氮化硅陶瓷致密化、微观结构、力学性能、热导率的影响。研究表明, 当添加5%(质量分数, 下同)Er2O3+2%Mg2Si+4%Yb2O3烧结助剂时, 烧结助剂对氮化硅陶瓷致密度与晶界相含量的平衡效果最佳, 此时氮化硅陶瓷具有最佳性能: 抗弯强度为765 MPa,断裂韧性为7.2 MPa·m1/2,热导率为67 W/(m·K)。在烧结过程中, 只添加5%Er2O3+2%Mg2Si的烧结助剂产生的液相量少且黏度高, 不能使氮化硅陶瓷完成致密化; 此外, 当添加的Yb2O3含量超过4%时, 烧结助剂产生大量的晶界相, 降低了氮化硅陶瓷的性能。

采用射频磁控溅射在蓝宝石衬底上制备了Mg2Si纳米晶薄膜，研究了Mg2Si烧结靶溅射功率(90~140 W)及溅射时间(10~60 min)对Mg2Si薄膜的结构和电阻率的影响。结果表明: 随着溅射功率增加，样品的XRD衍射峰逐渐增强; 但当功率超过100 W时，样品中出现了偏析出来的单质Mg。随着溅射时间增加，样品的XRD强度先增强后减弱，溅射时间为40 min时，样品的XRD衍射峰最强; 继续增加溅射时间，样品中出现微弱的MgO衍射峰。所有样品均呈现出Mg2Si晶体的特征拉曼峰，即256 cm-1附近的F2g模及347 cm-1附近的F1u(LO)模。随着溅射功率增加，样品的电阻率减小; 随着溅射时间增加，样品的电阻率先减小后增大，溅射时间为40 min时，样品的电阻率最小。

采用第一性原理方法，对本征Mg2Si以及K和Ti掺杂Mg2Si的几何结构、电子结构和光学性质进行计算分析。计算结果表明本征Mg2Si是带隙值为0.290 eV的间接带隙半导体材料，K掺杂Mg2Si后，Mg2Si为p型半导体,电子跃迁方式由间接跃迁变为直接跃迁，Ti掺杂Mg2Si后，Mg2Si为n型半导体,仍然是间接带隙。K、Ti掺杂后的静介电常数ε1(0)从20.52分别增大到53.55、69.25,使得掺杂体系对电荷的束缚能力增强。掺杂后，吸收谱和光电导率均发生红移现象，这有效扩大了对可见光的吸收范围，此外可见光区的吸收系数、反射系数以及光电导率都减小，导致透射能力增强，明显改善了Mg2Si的光学性质。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法, 探究了未掺杂Mg2Si以及Nd掺杂Mg2Si的能带结构、态密度和光学性质。计算结果表明: Nd掺杂Mg2Si后, Mg2Si禁带宽度从0.290 eV降低到0 eV, 导电性能提升;未掺杂的Mg2Si, 当光子能量大于0.9 eV时, 才开始慢慢具备吸收能力, 掺杂Nd之后的Mg2Si对能量为0.2 eV的光子就开始吸收, 大大改善了Mg2Si对红外光电子的吸收。掺杂后的光吸收系数和反射率都变小, 表明掺杂后的Mg2Si对光的穿透率增大。计算结果为Mg2Si材料在光电器件方面的应用提供了理论依据。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了本征Mg2Si及钴(Co)掺杂Mg2Si体系的晶体结构、自旋态密度、磁性和光学性质。结果表明, Co替Mg(CoMg)缺陷的形成能为负, 可以形成稳定的缺陷。从自旋态密度可以看出, 本征Mg2Si为无磁性半导体; 向Mg2Si体系掺入Co后, 体系的磁矩由于Co3d态和Si3p态杂化(pd杂化)诱导产生, 且体系呈明显的半金属特性。超胞中Co的磁矩为0.53μB。从吸收光谱可以看出, Co掺杂Mg2Si的主吸收峰强度略小于本征Mg2Si, 但吸收跨度则明显大于本征Mg2Si。本征Mg2Si对于能量小于1.55eV(对应波长为800nm)的光子几乎不吸收, 而掺杂体系还存在着较大的吸收, 说明Co元素的掺杂显著地改善了Mg2Si对低能(红外)光子的吸收。计算结果为Mg2Si基自旋电子器件和光电子器件的设计和应用提供了理论依据。

用磁控溅射方法在Si衬底上制备了Al掺杂Mg2Si薄膜,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子 力显微镜(AFM)和分光光度计研究了掺杂含量对Mg2Si薄膜组分、表面形貌、粗糙度及 光学带隙值的影响。XRD结果表明随着Al掺杂量的增加,Mg2Si衍射峰先增强后减弱。SEM及AFM的结果表明随掺杂量的增加,结晶度 先增加后降低,晶粒尺寸减小,粗糙度先增加后降低。得到掺杂后薄膜 间接跃迁带隙范围为0.423～0.495 eV,直接跃迁带隙范围为0.72～0.748 eV,掺杂前薄膜间接跃迁带隙和直接跃迁带隙分别为0.53 eV、0.833 eV。

Mg2Si材料作为一种新型环境友好半导体材料, 其薄膜制备方法及其光学性质的研究对其应用研发起到基础性作用.采用电子束蒸发方法在Si(111)衬底上沉积Mg膜, 在氩气环境下进行热处理以制备Mg2Si半导体薄膜.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、分光光度计对制备的Mg2Si薄膜进行表征.在氩气环境、温度500 ℃、压强200 Pa下, 研究热处理时间(时间3-7 h)对Mg2Si薄膜形成的影响.XRD和SEM结果表明：通过电子束蒸发沉积方法在500 ℃、热处理时间为3~7 h能够得到Mg2Si薄膜.热处理温度是500 时, 最佳热处理时间是4 h, 得到致密度好的薄膜.通过对薄膜的红外透射谱测试, 得到了Mg2Si薄膜的光学带隙, 其间接光学带隙值为0.9433 eV, 直接光学带隙值为1.1580 eV.实验数据为Mg2Si薄膜的研发在制备工艺和光学性质方面提供参考.

介绍了近年来Mg2Si薄膜的研究进展。从Mg2Si材料的晶体结构出发,重点对Mg2Si薄膜的基本性质、制备方法和应用前景进行了论述。研究表明,Mg2Si是一种窄带隙间接半导体材料,在光电和热电领域都具有较好的应用价值,因其兼具了组成元素地层含量丰富、无毒、无污染等优点,被视为是一种新型的环境友好半导体材料。在Mg2Si薄膜的外延生长技术方面,目前比较成熟的方法有分子束外延、脉冲激光沉积、反应扩散等多种,但普遍存在制备条件较苛刻,成膜质量不高等缺点。最后,对目前存在的问题及未来的研究动向做了简要讨论。