[发明专利]一种卤素掺杂ZnMgO薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于低维纳米材料领域，尤其是通过卤素掺杂ZnMgO薄膜及其制备方法。

背景技术

纤锌矿结构的ZnMgO是一种具有压电和光电特性的的直接带隙宽禁带半导体材料，具有标准的六方纤锌矿结构。作为一种典型的发光材料，在蓝绿光、紫外光等短波长发光源方面具有明显的优势，可以用来制备多种发光器件，如平面光波导、透明电极、紫外光探测器、紫外发光器件等。但是，随着科技的发展，人们对器件的应用要求不断提高，ZnMgO在应用方面的许多不足也日益显现，如激子束缚能不够大、带隙不够宽等。ZnMgO不但具有与氧化锌相似的晶体结构和光学性质，而且其能带结构可在一定范围内随意改变。近年来，Mg通过合金化得到的ZnMgO材料引起了人们广泛地关注。根据Mg固溶度的不同所形成的Zn_1-xMg_xO合金的禁带宽度可以在3.37-7.8eV之间连续可调。研究表明，通过合金化得到的ZnMgO后压电系数增大。作为一种三元晶体材料，ZnMgO具有良好的光学、压电、光敏、气敏、光催化、电导等特性。

ZnMgO的性能受Mg固溶度大小的影响，当原料中Mg含量越多，Mg含量会受限于金属元素的固溶度。考虑到这个因素，我们可以采用非金属元素掺杂对ZnMgO进行改性。卤族元素作为ZnMgO的掺杂剂，它们的掺杂替代了ZnMgO中O的位置。由于的能带结构中，价带主要是由O的2p轨道组成，当Ⅶ族元素离子以替位形式占据格点时主要是对价带产生微扰，而对导带电子的扰动较小，也就是对电子迁移的散射作用相对较小，这样有利于莸得迁移率较高的掺杂薄膜。由于卤素与O原子之间有较大的电负性和尺寸差异，可以预见，压缩或拉伸晶格应变，将会极大的影响ZnMgO的压电性能。

但是，目前比较有效的实现非金属掺杂较多的使用磁控溅射法、化学气相沉积法等。这些方法一般需要在真空环境下或者高压环境下完成，其制备工艺水平较高，重复性不高其成本昂贵。溶胶凝胶法是一种可以在不同衬底上制备薄膜材料并只需相对较低的温度，其制备方法简单。由于溶胶凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些元素，实现分子水平上的均匀掺杂。通过溶胶凝胶法实现卤素掺杂ZnMgO薄膜，其实质是金属离子和非金属离子的共同引发的晶格应变能改变材料的性质，其有着广泛的应用前景，有望得到具有压电性能的薄膜材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种卤素掺杂ZnMgO薄膜及其制备方法，该方法制备环境温和，成本低，可靠性高并且工艺简单，该方法有望得到具有压电性能的薄膜材料。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种卤素掺杂ZnMgO薄膜(一种压电薄膜)，其特征在于由如下步骤得到：

(1)将衬底分别浸入丙酮、无水乙醇、去离子水中，然后用超声清洗机超声15～35min并用红外灯烘干；所述衬底为Si片或者石英玻璃片；

(2)将二水乙酸锌及镁源加入溶剂中，所述溶剂为乙二醇甲醚或正丙醇，稳定剂采用乙醇胺，在55～80℃下搅拌1～2h，得到溶液；然后将NH₄X或NaX加入溶液中，其中X代表卤素，在55～80℃下搅拌2～3h，得到溶胶；

(3)将步骤(1)中处理过的衬底放置甩胶机的台子上，将步骤(2)中的溶胶使用甩胶机，然后在2000～5000rpm速率下旋转30s～60s，使得溶胶在衬底上均匀分布，并在150～300℃下将溶胶烘干；

(4)然后带有溶胶的衬底放置甩胶机的台子上，将步骤(2)中的溶胶使用甩胶机，2000～5000rpm速率下旋转30s～60s，使得溶胶在衬底上均匀分布，150～300℃下将溶胶烘干；多次循环本步骤，得到生长有薄膜的衬底；

(5)将步骤(4)中生长有薄膜的衬底放入热处理炉中退火，退火温度为400～700℃，保温时间为0.5～3h；然后冷却至室温，得到卤素掺杂ZnMgO薄膜。

上述一种卤素掺杂ZnMgO薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将衬底分别浸入丙酮、无水乙醇、去离子水中，然后用超声清洗机超声15～35min并用红外灯烘干{衬底的的预处理。主要目的是彻底去除表面的灰尘、油污等，以增强衬底与薄膜之间的附着能力}；所述衬底为Si片或者石英玻璃片；