[发明专利]采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法

说明书

采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法，本发明属于微能源领域，它为了解决现有同位素电池的短路电流、开路电压以及能量转换效率较低的问题。本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极形成叠层结构。本发明在本征金刚石层和肖特基电极之间插入一层氧化锌层，此氧化锌层能够阻挡空穴、同时传输电子，从而起到了减少电子空穴对复合的作用，进而提升能量转换效率。

技术领域

本发明属于微能源领域，具体涉及含有氧化锌层的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。

背景技术

微机电系统是一种尺寸在毫米级或者微米级的高度集成化智能系统。其具有尺寸小、功耗低、性能稳定等优点。微机电系统属于当代多学科交叉研究的重点领域，将是未来国防军事及国民经济领域新的增长点。微机电系统的小型化，低功耗的特点意味着其供电系统应具有尺寸小，且能够长时间稳定供电的特点。基于同位素辐射福特效应的同位素电池以其长时间稳定供电无需更换、能量密度高、易于小型化、能够适用于各种极端环境等优点，成为微机电系统的优良的能源提供者。

基于辐射伏特效应的同位素电池现在已经成功的运用到心脏起搏器中。这些电池一般是用硅基材料制作的半导体器件作为换能结构。随着半导体禁带宽度的增加，同位素电池最大理论转换效率也随之增加。因此，宽禁带半导体相对于硅等窄禁带半导体来说具有一定的优势。金刚石具有5.5eV的禁带宽度，比常见的宽禁带半导体如氮化镓，氧化锌等都要宽。同时金刚石的具有良好的抗辐射特性，其成功用于各种高能辐射探测器中。因此，金刚石是同位素电池半导体材料的良好候选者。

现在的金刚石同位素电池主要是基于金刚石肖特基器件。其开路电压和短路电流都与理论值相差较远，因此能量转换效率也相对较低，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有同位素电池的短路电流、开路电压以及能量转换效率较低的问题，而提供一种采用氧化锌层改进的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。

本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极形成叠层结构。

本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实现：

一、在掺硼p型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；

二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H₂SO₄和浓HNO₃的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；

三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射欧姆电极；

四、在步骤三所得的金刚石基底的本征金刚石层上磁控溅射氧化锌层；

五、在步骤四所得的金刚石基底的氧化锌层上面通过磁控溅射肖特基金属电极层，即得到包含氧化锌层的金刚石肖特基换能单元；

六、在金刚石肖特基换能单元肖特基电极上加载同位素²⁴¹Am放射源，得到氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池。