CN101789463A - n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法 - Google Patents

n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101789463A
CN101789463A CN201010117462A CN201010117462A CN101789463A CN 101789463 A CN101789463 A CN 101789463A CN 201010117462 A CN201010117462 A CN 201010117462A CN 201010117462 A CN201010117462 A CN 201010117462A CN 101789463 A CN101789463 A CN 101789463A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
type
zinc oxide
zno
nano rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201010117462A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101789463B (zh
Inventor
李红东
高世勇
吕宪义
李英爱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN2010101174623A priority Critical patent/CN101789463B/zh
Publication of CN101789463A publication Critical patent/CN101789463A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101789463B publication Critical patent/CN101789463B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法，属于半导体材料及其制备的技术领域。光电器件是n型氧化锌纳米棒高取向竖直生长在p型金刚石上；用银浆在导电阴极和导电阳极上分别连接铜导线。制备方法的第1步生长硼掺杂的p-型多晶微米金刚石膜或硼掺杂的p-型金刚石单晶；第2步在p型金刚石溅射ZnO晶种层；第3步在乙酸锌和六次甲基四胺的混合水溶液中，在ZnO晶种层上生长ZnO纳米棒；第4步制作电极。本发明利用水热合成法在金刚石上制备ZnO纳米棒结构，通过调节ZnO的尺寸、退火处理、金刚石的掺硼浓度、晶粒尺寸等手段在低温下获得性能优越的异质结；方法简单成本低，适合大规模生产及应用。

Description

n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用水热法在p型金刚石生长n型氧化锌(ZnO)纳米棒(NRs)制备异质结结构的方法，属于半导体材料及其制备的技术领域。
背景技术
由于光通讯技术的快速发展，对紫外短波发光元件的商业需求日益迫切，因此，宽带隙半导体材料和相关器件的研究引起人们普遍关注。与传统的硅材料相比，金刚石具有良好的导热、耐酸、耐碱等优良的性能和极高的硬度，能够在高频、高辐射及恶劣环境条件下使用，成为了新型功能材料的研究热点。另外，ZnO是一种具有宽带隙(3.37eV)和高激子束缚能(60meV)的半导体材料，在紫外激光器、太阳能电池、传感器等方面有着广泛的应用前景。此外，由于自补偿效应，n型ZnO材料容易得到，因此成为与p型金刚石组成异质结的理想材料。
目前，对于n-型ZnO/p-型金刚石异质结的研究，主要是采用在硼掺杂同质外延单晶或多晶金刚石膜上利用磁控溅射法溅射ZnO薄膜来实现。
与本发明最接近的是文献Bioelectrochemistry 75，44(2009)。文献主要报道了用水热法在硼掺杂纳米多晶金刚石膜上制备了ZnO纳米棒阵列，并研究了其在生物探测器方面的应用。但反应溶液与本发明的不同，并没有进行半导体器件的制作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，使用水热法，在化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜或CVD金刚石单晶上生长ZnO纳米结构，当金刚石是p-型掺杂时，可以制备出具有良好整流及紫外光电导特性的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结器件，应用于半导体领域。
作为一种常用的材料合成方法，水热法又称热液法，属液相化学法的范畴，是指在特制的密闭反应器(高压釜)内，以配制反应剂的水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热，在反应体系中产生一个高温高压的环境，进行材料制备的一种有效方法。本发明利用水热法，在硼掺杂的CVD多晶金刚石膜和CVD单晶金刚石上生长ZnO纳米棒(NRs)，并制作n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结器件，开展了ZnO和金刚石基的紫外光电特性的研究，具有很好的应用前景。
本发明的具体技术方案：
一种n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件，在p型金刚石材料上生长有n型氧化锌纳米棒材料；其特征在于，所述的p型金刚石是硼掺杂的多晶微米(纳米)金刚石膜或硼掺杂的金刚石单晶，n型氧化锌纳米棒高取向竖直生长在p型金刚石上；导电玻璃的导电面与氧化锌纳米棒阵列接触作为导电阴极，p-型金刚石作为导电阳极；用银浆在导电阴极和导电阳极上分别连接铜导线。
上述的半导体器件具有光电导特性，及在紫外光的照射下，正向电流比暗光情况下增大了8倍，反向电流比暗光情况下增大了20倍。
本发明的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件，在n型氧化锌纳米棒材料中掺杂有少量铝，掺杂浓度为0.1～1％，获得较高载流子浓度的Al掺杂ZnO纳米棒，提高半导体光电器件的特性。
本发明利用水热法制备n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的方法，具体技术方案如下。
一种n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的制备方法，分4个步骤进行；
第1步生长硼掺杂的p-型多晶微米金刚石膜或硼掺杂的p-型金刚石单晶，可以使用现有的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或热灯丝化学气相沉积(HFCVD)或直流热阴极化学气相沉积或直流喷射化学气相沉积的方法。
第2步使用磁控溅射方法，将制备好的硼掺杂p型金刚石溅射一层5～50nm厚的ZnO晶种层。
第3步、将配制好的等摩尔浓度的乙酸锌和六次甲基四胺的混合水溶液(0.01～0.25mol/L)倒入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，填充度控制在60～80％；将有ZnO晶种层的p型金刚石放入反应釜的溶液中，密封反应釜并放入恒温加热干燥箱中，在70～120℃下保温1～24小时；降至室温，将长有ZnO纳米棒的p型金刚石取出，用去离子水冲洗，在空气中自然晾干；
第4步、制作电极，将导电玻璃(ITO)的导电面向下压在ZnO纳米棒阵列上作为导电阴极；p-型金刚石做阳极，使用银浆连接铜导线。
可以对制备好的n型ZnO纳米棒/p型金刚石异质结进行电学性质(I-V)曲线测试、光电导特性测试。
如果将ZnO制成纳米结构，并制作高质量纳米n-ZnO/p-金刚石异质结，可以通过调节纳米棒的直径、掺杂等提高半导体器件的性能。
本发明的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的制备方法中，第3步可以进行铝掺杂；具体的是，所述的混合水溶液中，加入在硝酸铝(Al(NO3)3)，硝酸铝在混合溶液中的加入量为0.1～1％。
本发明的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的制备方法中，第3步之后进行退火处理；所述的退火处理是，将长有ZnO纳米棒的p型金刚石在空气、氩气或/和氮气气氛中400～500℃下进行退火。样品经退火后，样品质量提高，有利于提高器件的紫外光响应能力。
利用水热合成法在金刚石上制备ZnO纳米棒结构，具有多个优点，如：可在低温下制备出性能良好的n-ZnO NRs/p-diamond异质结，而且合成方法简单，成本低；可以通过调节ZnO的尺寸、掺杂、退火处理等，以及金刚石的掺硼浓度、晶粒尺寸等手段来获得性能优越的异质结。可开发潜力大，适合大规模生产及应用。
附图说明：
图1是本发明方法反应装置及样品放置示意图。
1为高压反应釜的不锈钢外盖，2为高压反应釜的不锈钢釜体，3为聚四氟乙烯内盖，4为聚四氟乙烯内衬，5为反应溶液，6为衬底，7为样品夹。
图2是化学气相沉积多晶金刚石膜上生长ZnO纳米棒的SEM图。
图3是化学气相沉积多晶金刚石膜上生长ZnO纳米棒的XRD谱。
图4是n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结结构示意图。
11为p型金刚石，12为n型氧化锌纳米棒，13为导电玻璃，14为银浆。
图5是n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结的I-V特性曲线。
图6是n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结的紫外光照和无紫外光的I-V特性曲线。
图7是化学气相沉积金刚石单晶上生长ZnO纳米棒的SEM图。
具体实施方式
实施例1：
硼掺杂CVD金刚石膜生长ZnO纳米棒及其异质结器件的制作。使用微波等离子体CVD方法制备硼掺杂p-型金刚石膜，衬底采用p-型Si，微波功率300～1000W，压强7～8kPa，氢气流量200～300sccm，甲烷气体流量4～6sccm，硼源使用硼烷或硼酸三甲酯，硼烷或硼酸三甲酯由氢气携带流入反应室，流量为10～20sccm，衬底温度保持在700～1000℃，薄膜的生长时间为3～24小时。生长硼掺杂的p-型CVD多晶微米金刚石膜，可以使用微波等离子体CVD或热灯丝CVD或直流热阴极CVD或直流喷射CVD方法。
分别配制15mL的0.05mol/L的Zn(Ac)2和HMT溶液，将溶液混合后，搅拌10min后倒入1个40ml的反应釜的内衬中。将在上述CVD金刚石膜(上面用磁控溅射法生长一层15nm的ZnO晶种层)用样品夹夹住垂直放入其中，拧紧后将其放入干燥箱中，然后升温到95℃，恒温保持24小时，之后将干燥箱电源关掉，自然冷却至室温，然后将样品取出，并用去离子水冲洗表面。反应装置见图1，产物的XRD谱图见图2中，SEM形貌图如图3所示，ZnO纳米棒均匀的生长在金刚石表面。纳米棒平均直径为200nm，平均长度4μm。
n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结结构示意图如图4所示。将导电玻璃(ITO)的导电面向下压在ZnO纳米棒阵列上作为导电阴极；p-型金刚石做阳极。使用银浆连接铜导线，做欧姆电极。用导线将其与Keithley 2400数字源表连接进行测试。I-V测试结果如图5示，该异质结具有良好的整流特性，其开启电压大约为1.15V，在正向偏压为5V时，整流比约为50。
上述制备的半导体器件具有光电导特性，及在紫外光的照射下，正向电流比暗光情况下增大了8倍，反向电流比暗光情况下增大了20倍。如图6。
实施例2.
硼掺杂CVD金刚石膜生长ZnO纳米棒及其异质结器件的制作。可通过反应时间控制ZnO纳米棒的尺寸。水热合成ZnO纳米棒的时间12小时，其他具体步骤同实施例1。获得平均直径为120nm、长度约为2μm的ZnO纳米棒。
实施例3.
CVD金刚石单晶生长ZnO纳米棒及其异质结器件的制作。将实施例1中的CVD金刚石膜替换为CVD金刚石单晶，其他具体步骤同实施例1。获得ZnO纳米棒平均直径为120nm，平均长度4μm。如图7。
硼惨杂金刚石单晶的生长使用天然金刚石单晶或高温高压合成金刚石单晶或CVD金刚石单晶做衬底，生长时引入硼源。
实施例4.
在实施例1的基础上，在反应物里添加铝(Al)基化学试剂，如九水硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)，获得高载流子浓度的Al掺杂ZnO纳米棒，提高半导体光电器件的特性。其他具体步骤同实施例1。
实施例5.
将实施例1-4的样品通过退火处理(400-500℃，在空气或氩气或/和氮气气氛中)，样品经退火后，ZnO样品质量提高，有利于提高器件的紫外光响应能力。

Claims (3)

1.一种n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件，在p型金刚石(11)材料上生长有n型氧化锌纳米棒(12)材料；其特征在于，所述的p型金刚石(11)是硼掺杂的多晶微米金刚石膜或硼掺杂的金刚石单晶，n型氧化锌纳米棒(12)竖直生长在p型金刚石(11)上；导电玻璃(13)的导电面与氧化锌纳米棒阵列接触作为导电阴极，p-型金刚石(11)作为导电阳极；用银浆(14)在导电阴极和导电阳极上分别连接铜导线。
2.一种权利要求1的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的制备方法，分4个步骤进行；第1步生长硼掺杂的p-型多晶微米金刚石膜或硼掺杂的p-型金刚石单晶；其特征在于，第2步使用磁控溅射方法，将制备好的硼掺杂p型金刚石溅射一层5～50nm厚的ZnO晶种层；第3步、将配制好的等摩尔浓度的乙酸锌和六次甲基四胺的混合水溶液，水溶液浓度为0.01～0.25mol/L，倒入反应釜的聚四氟乙烯内衬中，填充度控制在60～80％；将有ZnO晶种层的p型金刚石放入反应釜的溶液中，密封反应釜并放入恒温加热干燥箱中，在70～120℃下保温1～24小时；降至室温，将长有ZnO纳米棒的p型金刚石取出，用去离子水冲洗，在空气中自然晾干；第4步、制作电极，将导电玻璃的导电面向下压在ZnO纳米棒阵列上作为导电阴极；p-型金刚石做阳极，使用银浆连接铜导线。
3.按照权利要求2所述的n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件的制备方法，其特征在于，第3步之后进行退火处理；所述的退火处理是，将长有ZnO纳米棒的p型金刚石在空气、氩气或/和氮气气氛中400～500℃下进行退火。
CN2010101174623A 2010-03-04 2010-03-04 n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法 Expired - Fee Related CN101789463B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010101174623A CN101789463B (zh) 2010-03-04 2010-03-04 n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010101174623A CN101789463B (zh) 2010-03-04 2010-03-04 n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101789463A true CN101789463A (zh) 2010-07-28
CN101789463B CN101789463B (zh) 2011-07-20

Family

ID=42532599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010101174623A Expired - Fee Related CN101789463B (zh) 2010-03-04 2010-03-04 n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101789463B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102041547A (zh) * 2010-12-14 2011-05-04 北京大学 一种制备磷掺杂氧化锌纳米线的方法
CN102386281A (zh) * 2011-11-15 2012-03-21 上海大学 ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法
CN102513084A (zh) * 2011-12-19 2012-06-27 吉林大学 硼掺杂氧化锌纳米棒/p-型金刚石异质结的光催化材料及制备方法
CN106449809A (zh) * 2016-11-21 2017-02-22 北方民族大学 基于3d打印纳米金刚石透明薄膜电池的家用玻璃及制备方法
CN110596212A (zh) * 2019-10-23 2019-12-20 吉林大学 一种用于检测盐酸克伦特罗的复合结构传感器的制备方法
CN112408462A (zh) * 2020-11-23 2021-02-26 陕西理工大学 一种Al掺杂的ZnO纳米棒及其制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090002758A (ko) * 2007-07-04 2009-01-09 포항공과대학교 산학협력단 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090002758A (ko) * 2007-07-04 2009-01-09 포항공과대학교 산학협력단 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Bioelectrochemistry》 20090203 Jianwen Zhao等 A novel tyrosinase biosensor based on biofunctional ZnO nanorod microarrays on the nanocrystalline diamond electrode for detection of phenolic compounds 第44-49页 1 第75卷, 2 *
《Chinese Physics Letters》 20081231 李红东等 Synthesizing of Zno Micro/Nanostructures at Low Temperature with New Reducing Agents 第3794-3797页 1-3 第25卷, 第10期 2 *
《压电与声光》 20070630 赵平第 多层式金刚石膜上沉积ZnO薄膜的研究 第335-337页 1-3 第29卷, 第3期 2 *
《吉林大学学报》 20060530 杨洁等 高质透明ZnO/金刚石异质结的制备 第460-464页 1-3 第44卷, 第3期 2 *
《硅酸盐学报》 20040331 杨洁等 金刚石/氧化锌透明异质结的研制 第230-238页 1-3 第32卷, 第3期 2 *
《超硬材料工程》 20080228 吕航等 在金刚石薄膜上生长微米/纳米结构氧化锌 第8-10页 1-3 第20卷, 第1期 2 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102041547A (zh) * 2010-12-14 2011-05-04 北京大学 一种制备磷掺杂氧化锌纳米线的方法
CN102041547B (zh) * 2010-12-14 2012-05-30 北京大学 一种制备磷掺杂氧化锌纳米线的方法
CN102386281A (zh) * 2011-11-15 2012-03-21 上海大学 ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法
CN102386281B (zh) * 2011-11-15 2013-05-08 上海大学 ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法
CN102513084A (zh) * 2011-12-19 2012-06-27 吉林大学 硼掺杂氧化锌纳米棒/p-型金刚石异质结的光催化材料及制备方法
CN106449809A (zh) * 2016-11-21 2017-02-22 北方民族大学 基于3d打印纳米金刚石透明薄膜电池的家用玻璃及制备方法
CN110596212A (zh) * 2019-10-23 2019-12-20 吉林大学 一种用于检测盐酸克伦特罗的复合结构传感器的制备方法
CN112408462A (zh) * 2020-11-23 2021-02-26 陕西理工大学 一种Al掺杂的ZnO纳米棒及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN101789463B (zh) 2011-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101786026B (zh) n型氧化钛纳米管/p型金刚石异质结光催化材料及制备方法
CN101789463B (zh) n型氧化锌纳米棒/p型金刚石异质结光电器件及制备方法
Salman et al. Effective conversion efficiency enhancement of solar cell using ZnO/PS antireflection coating layers
CN102157577B (zh) 纳米硅/单晶硅异质结径向纳米线太阳电池及制备方法
CN102569508A (zh) 一种纳米线阵列结构薄膜太阳能光伏电池及其制备方法
CN106783541B (zh) 一种硒化亚锗多晶薄膜和含有该薄膜的太阳能电池及其制备方法
CN102157617B (zh) 一种硅基纳米线太阳电池的制备方法
Luo et al. The large-area CdTe thin film for CdS/CdTe solar cell prepared by physical vapor deposition in medium pressure
CN102168256A (zh) 利用MOCVD梯度掺杂技术生长ZnO：B薄膜及应用
CN102208487B (zh) 铜铟硒纳米晶/硫化镉量子点/氧化锌纳米线阵列纳米结构异质结的制备方法
Mao et al. Magnetron sputtering fabrication and photoelectric properties of WSe2 film solar cell device
CN102522447A (zh) 一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池
EP2889918B1 (en) Preparation method of solar cell with stainless steel substrate of adjustable bandgap quantum well structure
CN104264211B (zh) 单晶亚微米级Cu2ZnSnS4颗粒的高温溶剂热制备方法及应用
CN101694853B (zh) ZnO/SiC/Si异质结太阳能电池及其制备方法
CN102983215A (zh) 具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法
CN110350053A (zh) CuO纳米颗粒修饰ZnO纳米线阵列的光电材料、制备及应用
EP2889921B1 (en) Solar cell with flexible substrate of adjustable bandgap quantum well structure and preparation method therefor
CN102544230A (zh) 一种生长可变禁带宽度的Cd1-xZnxTe薄膜的方法
CN102992389B (zh) 一种生长氧化锌纳米线阵列的制备方法
Myong et al. Low-temperature preparation of boron-doped nanocrystalline SiC: H films using mercury-sensitized photo-CVD technique
CN102513084A (zh) 硼掺杂氧化锌纳米棒/p-型金刚石异质结的光催化材料及制备方法
CN101693528B (zh) 一种生长ZnSe单晶纳米线的方法
CN102392237A (zh) 一种Ag-Li共掺杂氧化锌薄膜的制备方法
CN101693550B (zh) 一种生长CdO纳米线束的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110720

Termination date: 20180304