[发明专利]一种ZnO基薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZnO基薄膜及其制备方法。

背景技术

目前，ZnO基材料已经广泛应用于催化、气敏、紫外探测器、发光二极管、场效应管、薄膜晶体管、触摸屏、太阳能电池等领域。ZnO基材料的掺杂能够大大提升其应用。例如ZnO薄膜材料中掺入Al、In、Ga、B、F等元素能够制备导电性良好的n型ZnO薄膜，而掺入Li、Na、K、N、P等元素能够制备P型ZnO薄膜。而掺杂Co、Cu、Ni等元素能够制备稀磁半导体。这些不同程度上的掺杂就直接决定了ZnO基材料在某一个领域的应用。

ZnO基纳米材料的制备方法一般偏向于化学合成，包括水浴、化学气相沉积（CVD）、模板法、诱导法等。这些方法维持的周期一般而言都比较长，或者很难有效控制ZnO基纳米材料的形貌。例如传统的CVD法制备ZnO基纳米材料重复性比较差，而且很难掺杂进其它原子来提高ZnO纳米材料的自身性能。比如水热制备Al掺杂ZnO纳米棒，就很难在低温（< 200 ℃）下实现有效的掺杂，导致电子迁移率很低，从而限制ZnO：Al纳米棒在器件中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，易掺杂的ZnO基薄膜及其制备方法。

本发明的ZnO基薄膜，其特征是ZnO基薄膜中镶嵌有ZnO基纳米片，ZnO基薄膜及ZnO基纳米片的化学式均为Zn_1-xM_xO，M = Al、Ga、In、B、Cd或Mg，0≦x＜0.20，纳米片直径在1 ~ 5 um。

本发明的ZnO基薄膜的制备方法，其步骤如下：

1）将纯ZnO粉末和纯M氧化物粉末按化学式Zn_1-xM_xO计量比混合、研磨、1000～1500 ℃烧结，制成ZnO基陶瓷靶材，其中M = Al、Ga、In、B、Cd或Mg，0≦x＜0.20；

2）采用磁控溅射方法，以步骤1）的陶瓷靶作为靶材，在经清洗的衬底上沉积一层ZnO基薄膜，沉积条件为：衬底和靶材的距离为80 mm，生长室真空度在2×10^-3 Pa以上，生长室通入纯Ar，或者Ar和O₂，Ar和O₂的流量比为100：0~100：8，控制压强为0.1 ~ 10 Pa，调节溅射功率为100 ~ 200 W，衬底温度为25 ~ 400 ℃，溅射时间为20 ~ 90 min；

3）将步骤2）所得的薄膜在浓度为1.0 ~ 5.0 wt% NH₄Cl溶液中腐蚀10 ~ 30 min。  

上述的衬底可以为单晶硅片、蓝宝石、石英、玻璃、聚碳酸酯或苯二甲酸乙二酯。所述的纯ZnO粉末和纯M氧化物粉末的纯度均在99.99%以上。

本发明的优点在于：

1）Zn_1-xM_xO （M = Al、Ga、In、B、Cd或Mg，0≦x＜0.20）纳米片直径为1 ~ 5 um，尺寸较大，而且纳米片本身带有掺杂元素，镶嵌在ZnO基薄膜中，两者结合能发挥出薄膜和纳米片的双重性能。

2）采用腐蚀方法制备重复性好，而且操作简便，适用于大面积生长ZnO基掺杂纳米片。

3）该种方法制备的ZnO基纳米片由于是定向腐蚀得到的，因此具有更好的电学和光学性能。

4）该种ZnO基纳米片的存在并不会影响ZnO基薄膜的透过率，薄膜透过率仍然在85%以上。

5）由于ZnO基纳米片具有较大的比表面积，对光、气体、有机物等具有良好的响应。

附图说明

图1为腐蚀前ZnO：Al薄膜扫描图。

图2为腐蚀后的镶嵌有ZnO：Al纳米片的ZnO：Al薄膜的扫描图。

图3为ZnO：Al纳米片的能谱图。

图4为ZnO：Al纳米片中Al元素的面扫描图。

图5 为紫外可见透射谱，图中曲线1为ZnO：Al薄膜，曲线2为镶嵌有ZnO：Al纳米片的ZnO：Al薄膜。

具体实施方式

以下结合附图及具体实例进一步说明本发明。

实例1：制备镶嵌有ZnO：Al纳米片的ZnO：Al薄膜。