[发明专利]一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，涉及光电材料、传感器材料的制备，具体涉及一种花状微球的镁掺杂氧化锌材料的制备方法。

背景技术

氧化锌是一种多功能半导体材料，因其具有良好的光学、压电、光敏、气敏、光催化、电导等特性，使其可以广泛用于太阳能电池、压电传感器、气敏传感器、发光二极管、紫外光探测器、半导体激光器等。为了进一步提高它的电、光、磁方面的性能，可以掺入不同的杂质元素。在氧化锌中掺入镁，可以调节禁带宽度，实现能带工程。理论上通过调节镁的含量可以实现Zn_1-xMg_xO(ZMO)的禁带宽度在3.37～7.8eV之间连续可调。当ZMO晶体中镁含量较小时，镁原子进入ZMO晶格中取代了部分锌原子，ZMO的晶体结构与ZnO相同，为六方纤锌矿结构，但是随着镁的摩尔百分比的增加，晶体结构会转变为MgO的立方结构。研究表明镁的掺杂摩尔百分比在0～40％范围变化时，可以使ZMO的禁带宽度在3.3eV到4eV之间有效连续调节且晶体结构与ZnO相同(T.Makino,Y.Segawa,M.Kawasaki,Applied Physics Letters,1998,78,123)。由于Mg²⁺与Zn²⁺的离子半径差异不大，分别为和替换掺杂难度小，在一定的x范围内能与氧化锌的晶格匹配。这种带隙可调的ZMO可作为氧化锌基半导体量子阱、异质结和超晶格结构的势垒层，从而实现电学和光学性能可裁剪的新型半导体光电器件，可能得到覆盖蓝光到紫外光谱区域的半导体激光器、探测器等光电器件。在太阳能窗口层方面，相对纯氧化锌，镁掺杂氧化锌薄膜能够实现带隙宽化，在增强对紫外光吸收的同时，带隙的增加会导致异质结界面势垒增高，减小异质结中载流子遂穿几率，减小反向饱和电流，使开路电压变大，提高电池异质结的质量，改善短波区的光谱响应。另外，镁的掺杂能够使氧化锌材料的电阻增大，能够进一步降低光生电子的纵向移动，降低光电流短路的现象，增强光电流的对外输出能力。Ziqing Duan等人在Cu₂O-Mg_xZn_1-xO异质结太阳能电池研究中，用镁掺杂氧化锌代替纯氧化锌做窗口层，发现太阳能电池的光电转化效率得到了提高(Z.Duan,A.Du Pasquier,Y.Lu,Y.Xu and E.Garfunkel,Solar Energy Materials and Solar Cells,2012,96,292.)。此外，通过掺杂镁可以改变其发光特性，在短波长纳米发光器件和纳米光电子器件领域具有应用前景和科研价值。

目前制备镁掺杂氧化锌的方法比较多。最早系统研究ZMO合金的是日本的A.Ohtomo研究小组。他们利用脉冲激光沉积法制备了ZMO合金薄膜(A.Ohtomo,M.Kawasaki,T.Koida,et al.,Appl.Phys.Lett.,1998,72(19):2466.)。W.I.Park等人用金属有机气相沉积法制备了ZMO薄膜(W.I.Park,G.C.Yi,H.M.Jang,Appl.Phys.Lett.,2001,79:2022.)，T.Takagi等用分子束外延法制备了ZMO薄膜(T.Takagi,T.Tanaka,H.Fujita,et al.,J.Appl.Phys.,2003,42:401.)。Y.W.Heo报道使用MBE技术制备出ZMO纳米棒(Y.W.Heo,M.Kaufman,K.Pruessner,et al.,Solid-State Elecortnics,2003,47:2263.)。M.Loernz等用高压激光脉冲沉积法制备了ZMO纳米线阵列(M.Loernz,E.M.Kaidashev,A.Rahm,et al.,Appl.Phys.Lett.,2005,86:143113.)。Won I Park等人用金属有机物气相外延法制备了ZMO棒(Won I Park,Sung Jin An,Jia Long,et al.,J.Phys.Chem.B.,2004.108:15457-15460.)。浙江大学支明佳等用热蒸发法制备了不同形貌的ZMO纳米线。这些研究方法大多需要昂贵的仪器设备和比较苛刻的实验条件。