CN101887849A - 两步沉积法制备ZnO薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种两步沉积法制备ZnO薄膜的方法及其装置，属纳米晶体薄膜制备方法技术领域。本发明方法的特点是：综合利用了超声雾化热解法和溶胶-凝胶法的原理和设备，分两步沉积ZnO薄膜。第一步是用改进的超声雾化热解法设备制备ZnO纳米颗粒。该设备的特征主要有在喷雾的导管上增加一个高压发生源和荷电喷头，并用一根石英管贯穿整个加热炉，使之直接通向装有一定量去离子水的烧杯里。第二步是使用超声波清洗器和离心机反复清洗ZnO纳米颗粒，最后通过旋涂机旋涂到衬底上。采用本方法避免了超声雾化热解法制备过程中产生的气溶胶对环境的污染，并获得结晶质量高的ZnO薄膜。

Description

两步沉积法制备ZnO薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种两步沉积法制备ZnO薄膜的方法及其装置，属纳米晶体薄膜制备方法技术领域。
背景技术
ZnO是一种直接宽禁带半导体材料，室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。由于这些优良的特性，ZnO在短波长发光二极管，太阳能电池的窗口层，紫外光探测器，传感器等方面都有很好的潜在应用。ZnO薄膜的制备方法主要有磁控溅射，脉冲激光沉积，分子束外延，化学气相沉积，超声雾化热解等。
但是，前四种方法都需要在真空环境里进行，设备复杂，制备薄膜的成本高。而超声雾化热解虽然能克服这些缺点，但沉积效率低，前驱体的用量较大，排放的废气中所含有的气溶胶会对环境造成污染，薄膜的均匀性有待提高。
发明内容
本发明提供了一种新的生长沉积ZnO纳米薄膜的方法及其装置。
本发明一种两步沉积法制备ZnO薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
a.用改进的超声雾化热解法沉积ZnO纳米颗粒：
(1).配置一定浓度的Zn(CH3COO)2溶液，将其倒入设有超声雾化仪器的雾化罐中；Zn(CH3COO)2溶液的浓度为0.05～0.15mol/L；
(2).将上述雾化气通过石英导管进入一电热加热炉中，加热炉的温度控制在400～500℃；
(3).调节作为载气的氮气气体流量，氮气流量保持在3L/min；
(4).开启高压电源，使设于石英导管顶部的荷电喷头通电。运作时间为40～60分钟；最终热解制得的ZnO纳米颗粒在荷电喷头的作用下沉积下来，即沉积在石英导管下端装有去离子水的烧杯里；
b.用溶胶-凝胶法旋涂成膜：
(1).将上述含有纳米ZnO颗粒的溶液静置一段时间后，去除清液，再加入去离子水，用超声波清洗器对沉淀物进行扩散；
(2).将分散的溶液倒入离心管进行离心分离；然后，去除清液，倒入乙醇作为清洗剂；再用超声波清洗器和离心机对反应产物进行超声洗涤和离心分离；如此反复3～5次；以去除产物中残余的有机物；
(3).将离心的产物用去离子水分散，将该溶液旋涂于石英衬底上；旋涂机的转速为1000～2000rpm；
(4).将旋涂好的薄膜在100～150℃下退火若干分钟；如此重复旋涂和退火2～3次；最终即得结晶质量高的ZnO薄膜。
本发明一种两步沉积法制备ZnO薄膜的方法中所用的专用装置，该装置包括有：氮气瓶，胶管，雾化器，雾化罐，石英导管，电加热炉，烧杯，荷电喷头，高压发生器，和温控仪；其特征是盛有醋酸锌前驱体溶液的雾化罐其底部设置有一雾化器，其顶部密封盖处开有小圆孔，左侧一圆孔插入一胶管并与氮气瓶相连接；右侧一圆孔插入一石英导管；该石英管为一直角弯折管，其垂直向下部分的石英管穿过一电加热炉，其末端插入一盛有去离子水的烧杯中；在石英管弯折处上方设有一荷电喷头，并有导线与高压发生器相连接；电加热炉与温控仪相连，以控制炉内温度；氮气瓶中的氮气是作为运载气体而被送入雾化罐的。
本发明方法的特点
本发明方法的特点与过去所使用的超声雾化热解法不同。过去的超声雾化热解法制备ZnO薄膜的生长温度很难控制，温度较低时前驱液分解不完全，温度较高时大量的ZnO颗粒附在薄膜表面，两者都会影响其性能。此外，薄膜的均匀性不好。更为严重地是，由于制备过程中会产生大量的气溶胶，既污染空气，又使得沉积效率很低。而采用两步沉积法制备ZnO纳米薄膜既可以保证薄膜的均匀性好，结晶质量高，又可以避免单纯用超声雾化热解法制备ZnO薄膜所产生的气溶胶对环境的污染。
附图说明
图1为本发明所用的超声雾化热解法沉积ZnO纳米颗粒的专用装置示意图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本实施例中的ZnO薄膜制备过程和步骤如下：
1)配置浓度为0.1mol/L的Zn(CH3COO)2溶液，将其倒入超声波雾化器的雾化罐中。
2)开启加热炉的控温仪，使加热炉升至400℃。
3)开启超声雾化器，运行雾化器至稳定工作的状态。
4)调解载气的流量，使流量保持在3L/min。并开启载气，开启高压电源。
5)生长大约40分钟，随后关闭高压电源、雾化器，把制备的包含ZnO纳米颗粒的溶液静置3个小时。
6)去除清液，加入40mL去离子水，用超声波清洗器对沉淀物进行分散
7)将分解的溶液倒入离心管进行首次分离。
8)取出离心管，去除清液，倒入乙醇作为清洗剂，仿前，借助超声波清洗器和离心机，对反应产物进行反复5次的超声洗涤和离心分离。
9)将离心的产物在去离子水中分散，把石英片固定在旋涂机的载物台上，用滴管滴3滴溶胶于石英片表面，调节旋涂机的转速使其首先在300rpm的转速下转20s，之后再1500rpm的转速下转20s。
10)将涂过膜的石英片置于烘箱内，设定温度为100℃。3分钟后，取出该石英片，冷却到室温，再重复旋涂过程三次。最终制得ZnO薄膜。
实施例2
本实施例中的生长沉积工艺步骤与上述实施例1完全相同，不同的是改变了一些工艺参数。其不同的工艺参数是：(1)Zn(CH3COO)2溶液的浓度为0.05mol/L(2)生长纳米颗粒的时间为2小时(3)旋涂机的转速设定为首先在400rpm的转速下转30s，之后为2000rpm的转速下转30s。最终制得ZnO薄膜。
本实施例3
本实施例中的生长沉积工艺步骤与上述实施例1完全相同，不同的是改变了一些工艺参数。其不同的工艺参数是：(1)Zn(CH3COO)2溶液的浓度为0.15mol/L(2)生长纳米颗粒的时间为1小时(3)旋涂机的转速设定为首先在500rpm的转速下转30s，之后为1000rpm的转速下转60s。最终制得ZnO薄膜。
实施例中ZnO纳米颗粒的制备采用了专用的超声雾化热法装置。
参见图1。
该装置包括有：氮气瓶1，胶管2，雾化器3，雾化罐4，石英导管5，电加热炉6，烧杯7，荷电喷头8，高压发生器9，和温控仪10；盛有醋酸锌前驱体溶液的雾化罐4其底部设置有一雾化器3，其顶部密封盖处开有小圆孔，左侧一圆孔插入一胶管2并与氮气瓶1相连接；右侧一圆孔插入一石英管5；该石英管5为一直角弯折管，其垂直向下部分的石英管穿过一电加热炉6，其末端插入一盛有去离子水的烧杯7中；在石英管弯折处上方设有一荷电喷头8，并有导线与高压发生器9相连接；电加热炉6与温控仪10相连，以控制炉内温度；氮气瓶1中的氮气是作为运载气体而被送入雾化罐4的。

Claims (2)

1.一种两步沉积法制备ZnO纳米薄膜的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
a.用改进的超声雾化热解法沉积ZnO纳米颗粒：
(1).配置一定浓度的Zn(CH3COO)2溶液，将其倒入设有超声雾化仪器的雾化罐中；Zn(CH3COO)2溶液的浓度为0.05～0.15mol/L；
(2).将上述雾化气通过石英导管进入一电热加热炉中，加热炉的温度控制在400～500℃；
(3).调节作为载气的氮气气体流量，氮气流量保持在3L/min；
(4).开启高压电源，使设于石英导管顶部的荷电喷头通电。运作时间为40～60分钟；最终热解制得的ZnO纳米颗粒在荷电喷头的作用下沉积下来，即沉积在石英导管下端装有去离子水的烧杯里；
b.用溶胶-凝胶法旋涂成膜：
(1).将上述含有纳米ZnO颗粒的溶液静置一段时间后，去除清液，再加入去离子水，用超声波清洗器对沉淀物进行扩散；
(2).将分散的溶液倒入离心管进行离心分离；然后，去除清液，倒入乙醇作为清洗剂；再用超声波清洗器和离心机对反应产物进行超声洗涤和离心分离；如此反复3～5次；以去除产物中残余的有机物；
(3).将离心的产物用去离子水分散，将该溶液旋涂于石英衬底上；旋涂机的转速为1000～2000rpm；
(4).将旋涂好的薄膜在100～150℃下退火若干分钟；如此重复旋涂和退火2～3次；最终即得结晶质量高的ZnO薄膜。
2.一种根据权利要求1所述的两步沉积法制备ZnO薄膜的方法中所用的装置，包括有：氮气瓶(1)，胶管(2)，雾化器(3)，雾化罐(4)，石英导管(5)，电加热炉(6)，烧杯(7)，荷电喷头(8)，高压发生器(9)，和温控仪(10)；其特征在于盛有醋酸锌前驱体溶液的雾化罐(4)其底部设置有一雾化器(3)，其顶部密封盖处开有小圆孔，左侧一圆孔插入一胶管(2)并与氮气瓶(1)相连接；右侧一圆孔插入一石英导管(5)；该石英管(5)为一直角弯折管，其垂直向下部分的石英管穿过一电加热炉(6)，其末端插入一盛有去离子水的烧杯(7)中；在石英管弯折处上方设有一荷电喷头(8)，并有导线与高压发生器(9)相连接；电加热炉(6)与温控仪(10)相连，以控制炉内温度；氮气瓶(1)中的氮气是作为运载气体而被送入雾化罐(4)的。
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