CN100547123C - 一种氧化锌单晶纳米薄膜材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氧化锌单晶纳米薄膜材料的制备方法。该方法采用将锌离子注入后进行热处理的方法在材料表面形成ZnO单晶纳米薄膜，所包括的具体步骤如下：先将能量为50到300keV的Zn⁺注入到石英玻璃中，然后将其在空气中退火，退火温度为700～750℃，退火时间为1～2小时，升温速率为10～20℃/min。注入到石英玻璃中的Zn原子逐渐蒸发到样品的表面并在表面氧化形成ZnO单晶纳米薄膜。本发明具有制备方法简单，成本低，得到的单晶薄膜的质量好的特点，因而能广泛应用于光电子领域。

Description

一种氧化锌单晶纳米薄膜材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型半导体纳米薄膜材料的制备方法，具体地说是一种氧化锌单晶薄膜材料的制备方法，属于光电子材料技术领域。

背景技术

ZnO是一种具有六方结构的新型II-VI族宽禁带化合物半导体材料，它的室温禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能高达60meV，理论上可以实现室温激子发光，并有望在紫外光、蓝光、蓝绿光等多种发光器件中得到应用。1997年，自然杂志高度评价了利用ZnO做成的激光器在提高光存储方面的应用前景。ZnO的带边发射在紫外区非常适宜作为白光LED的激发光源材料，凸显了ZnO在半导体照明工程中的重要地位。同时由于ZnO薄膜良好的透光、压电、对气体的敏感性等性能，因而在透明电极、窗口材料、液晶显示、压电换能器件、表面声波器件、气敏传感器件等方面具有广泛的应用前景。并且ZnO与SiC、GaN等其它的宽带隙材料相比，ZnO具有资源丰富、价格低廉、高的化学和热稳定性，更好的抗辐照损伤能力，适合做长寿命器件等多方面的优势。此外，ZnO具有与GaN晶格失配小的特点，可用于生长高质量GaN薄膜的缓冲层。

现有的制备氧化锌薄膜材料的方法有很多种，包括电子束蒸发法、磁控溅射法、溶胶凝胶法、激光脉冲沉积法、气相沉积法、分子束外延法、助熔剂生长法、水热法等。电子束蒸发法、磁控溅射法和熔胶凝胶法虽然可用于ZnO薄膜的制备，但形成的ZnO大多以多晶形式存在且薄膜的质量不高。目前，科研工作者已用激光脉冲沉积法，化学气相沉积法，分子束外延法，助熔剂生长法，水热法制备了单晶ZnO薄膜，但是这些方法的共同缺点是设备和工艺复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中制备氧化锌薄膜材料存在的设备和工艺复杂、成本高的缺点，并提供一种设备和工艺简单、成本低的氧化锌单晶纳米薄膜的制备方法，而且用该方法能得到高质量的氧化锌单晶纳米薄膜。

实现本发明目的的技术方案是采用将锌离子注入后进行热处理的方法在材料表面形成ZnO单晶纳米薄膜，所包括的具体制备步骤如下：

1)以石英玻璃为衬底，将能量为50到300keV的Zn⁺注入到衬底中，使其在衬底中形成Zn纳米颗粒，至衬底中有足够多的Zn原子；

2)将注入Zn⁺后的衬底物升温至700～750℃，并在空气中保温退火，直至衬底物中的Zn原子逐渐充分蒸发到衬底物的表面并在其表面氧化形成ZnO单晶纳米薄膜。

退火完后自然降温。在制备过程中所注入的离子剂量至少不小于1×10¹⁷ions/cm²，升温速率为10～20℃/min，保温退火时间为1～2小时。

本发明采用离子注入结合热处理的方法制备氧化锌单晶纳米薄膜具有以下几个方面的独特优势：第一、制备成本低。首先，衬底选用石英玻璃，比昂贵的蓝宝石要便宜的多。其次，用于注入Zn⁺的注入机可选用已用于工业生产的金属蒸发多弧离子源(MEVVA)注入机。该种注入机的特点是束斑大且均匀，束流强(达mA级)，可在短时间内进行高剂量离子注入，因而大大降低了注入成本。另外，热处理是在大气中在700～750℃进行退火，因此用普通的退火炉就可以满足要求。第二、制备工艺简单，只需经过注入和简单的热处理两个过程。第三、可制备大面积的均匀薄膜，且制得的单晶薄膜的质量好。第四、由于衬底是透明的石英玻璃，具有介电常数小、击穿电流小、绝缘性好的特点，适用于器件的研制，并能广泛应用于光电子领域。

附图说明

图1是用本发明制备的氧化锌单晶纳米薄膜的X射线衍射曲线。

图2是用本发明制备的氧化锌单晶纳米薄膜的透射电镜(TEM)截面像和对应的选区电子衍射(SAED)像。

具体实施方式

1)将Zn⁺注入到作为衬底的石英玻璃中，注入离子的能量为50到300keV，所注入的离子剂量不小于1×10¹⁷ions/cm²，使其在衬底中形成大量Zn纳米颗粒，至衬底中有足够多的Zn原子。

2)将注入Zn⁺后的衬底物置于退火炉中退火，退火是在空气下进行以利用空气中的氧生成ZnO。退火温度为700～750℃，升温速率为10～20℃/min，并在该温度下保温1～2小时，退火完后自然降温。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

将能量为200keV的Zn⁺注入到石英玻璃中，注入剂量为2×10¹⁷ions/cm²。

将注入后的样品用普通退火炉在空气中750℃退火1小时，升温速率为20℃/min，当温度达到700℃时样品内的Zn原子逐渐蒸发到样品表面并与空气中的氧反应在表面生成ZnO。在750℃下保温1小时，以便衬底内所有的Zn原子蒸发到衬底物表面。退火完后自然降温。

对本实施例制备的样品进行分析，图1是用本实例制备的氧化锌单晶纳米薄膜的X射线衍射(XRD)曲线，从图中只有(002)面衍射峰，说明薄膜沿c轴方向生长，具有很高的质量。

图2是用本实施例制备的氧化锌单晶纳米薄膜的透射电镜(TEM)截面像和对应的选区电子衍射(SAED)像。该SAED像为单晶ZnO[210]带轴的电子衍射花样，因此证明形成了ZnO单晶纳米薄膜。

实施例2

将能量为50keV的Zn⁺用MEVVA源注入机注入到石英玻璃中，注入剂量为3×10¹⁷ions/cm²。

将注入后的样品用普通退火炉在空气中700℃退火2小时，升温速率为10℃/min，当温度达到700℃时样品内的Zn原子逐渐蒸发到样品表面并与空气中的氧反应在表面生成ZnO。在700℃下保温2小时，以便衬底内所有的Zn原子蒸发到衬底物表面。退火完后自然降温。

对本实施例制备的样品进行分析，该样品的X射线衍射(XRD)曲线和透射电镜(TEM)截面像也都证明形成了ZnO单晶纳米薄膜。

Claims (2)

1、一种氧化锌单晶纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于采用将锌离子注入后进行热处理的方法在材料表面形成ZnO薄膜，所包括的具体制备步骤如下：

1)以石英玻璃为衬底，将能量为50到300keV的Zn⁺注入到衬底中，使其在衬底中形成Zn纳米颗粒，至衬底中有足够多的Zn原子，所注入的离子剂量至少不小于1×10¹⁷ions/cm²；

2)将注入Zn⁺后的衬底物升温至700～750℃，并在空气中保温退火，直至衬底物中的Zn原子逐渐充分蒸发到衬底物的表面并在其表面氧化形成ZnO单晶纳米薄膜，其中升温时升温速率为10～20℃/min，保温退火时保温退火时间为1～2小时。

2、据权利要求1所述的氧化锌单晶纳米薄膜材料的制备方法，其特征在于：退火完后自然降温。

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