CN102071396A - 锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子束溅射制备锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法。该方法过程包括：将基片和靶材清洗，置入溅射室内，在真空和氩气的保护条件下，预溅射清洗；以一定的引出电流、电压的氩离子束对二氧化钛和锗靶材进行交替溅射，在基片上沉积二氧化钛薄膜和锗薄膜，得到以二氧化钛薄膜为覆盖层的锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜；经退火后，得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。本发明的优点在于，方法简单条件温和，过程中能自由调节锗量子点的含量、尺度、形态及分布，并且克服了溶液法制备量子点时易团聚的缺点，从而调节了掺杂的二氧化钛薄膜的光吸收特性。

Description

锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种离子束溅射制备锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法，属于锗与二氧化钛复合薄膜技术。
背景技术
二氧化钛(TiO2)属于n型半导体材料，具有氧化能力强、无毒、光稳定性好以及廉价等优点，在光、电及催化性能方面具有一些特殊性能，因此在太阳能电池、光催化剂以及气敏传感器等方面得到越来越广泛的应用。但是TiO2的禁带宽度为3.0-3.2eV，只能吸收波长小于400nm的紫外光，且光生载流子利用效率较低，光电转换效率低，从而限制了其在光电转换方面的应用。目前提高TiO2光电转换效率的有效方法是对其进行量子点掺杂或敏化。量子点具有独特的优势：量子尺寸效应。通过改变半导体量子点的大小，可以使薄膜吸收特定波长的光线，即小量子点吸收短波长的光，而大量子点吸收长波长的光。此外，量子点每吸收一个光子能量就能产生多个激子(电子-空穴对)，而传统半导体每个光子吸收只能产生一个电子空穴对，换句话说，量子点材料可以减少传统半导体光子吸收损失的很多能量。锗作为最早被研究的半导体材料，具有高的空穴迁移率和电子迁移率，同时禁带宽度小，是理想的掺杂材料。因此，在二氧化钛纳米薄膜中掺杂锗量子点，吸收光线后，锗向二氧化钛释放电子，再在传导电极上收集，进而产生光电流，可以有效提高TiO2薄膜的光电转换效率。
目前，制备量子点掺杂纳米薄膜的方法有很多，包括溶胶凝胶法、化学气相沉积、脉冲激光沉积等。这些方法各自存在不同的不足之处，如：所制得的薄膜致密性不高、附着力不强、工艺复杂、生产效率低、量子点易团聚等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法。该方法过程简单，以此方法能够得到高密度、尺寸均匀的锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜，且生产成本低，易于工业化规模生产，具有广阔的应用前景。
本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)基片、靶材的清洗：首先用丙酮对石英基片或硅基片清洗10～15min，再用无水乙醇进行超声清洗10～15min，最后用去离子水反复清洗，晾干备用；用无水乙醇对纯度为99.99％以上的二氧化钛靶材和99.99％以上锗靶材表面擦拭干净，备用；
2)将经步骤1)清洗干净的基片和靶材分别置入离子束溅射室内的基盘和靶位上，抽真空使其本底真空度达到2.0×10-4Pa～9.4×10-4Pa，接着向溅射室内通入纯度为99.99％以上的工作气体-氩气，使溅射室内压强为2.0×10-2Pa～2.5×10-2Pa，调整溅射室温度为20℃～200℃；
3)采用引出电流为45mA，引出电压为1.6kV的氩离子束分别对靶材和基片各进行5-10min的预溅射清洗；
4)薄膜制备：首先以引出电流为10mA～40mA，引出电压为0.5kV～3kV的氩离子束对二氧化钛靶材进行轰击10～30min，使其在基片上溅射沉积一层TiO2薄膜，然后在相同的引出电流、电压的条件下对锗靶材轰击1～25min，在已溅射二氧化钛薄膜的基片上溅射沉积形成一层Ge薄膜，这样通过转动二氧化钛靶材和锗靶材的位置在基片上交替溅射沉积TiO2、Ge薄膜，直至使薄膜总厚度达到50～1000nm，最后以溅射一层TiO2薄膜作为覆盖层结束，在基片上得到锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜；
5)将步骤4)制备的锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜进行退火，所述的退火条件：以升温速率为2～40℃/min，升温至400～700℃，保温时间为0.5～2h，然后随炉温冷却至室温，在基片上得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。
本发明的优点在于，采用较为简单和温和的方法制备了锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。过程中通过调控离子束溅射条件和工艺，能自由调节锗量子点的含量、尺度、形态及分布，并且克服了溶液法制备量子点时易团聚的缺点，从而在更大程度上调节掺杂的二氧化钛薄膜的光吸收特性，因此该方法在光电转换材料制备方面具有实际应用价值。
附图说明
图1为实例1在石英基片上制备的锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜透射形貌照片。
具体实施方式
实例1
本发明实施过程所采用的设备为IBAD-600多功能离子注入与离子束溅射系统。
将2cm×2cm方形石英基片浸泡在丙酮溶液中清洗15min，再用无水乙醇超声清洗10min，最后用大量的去离子水清洗；用无水乙醇对纯度为99.99％的二氧化钛靶材和纯度为99.99％锗靶材的表面擦拭干净。然后将清洗干净的石英基片以及二氧化钛和锗靶材分别固定于溅射真空室内的基盘和靶位上，抽真空使本底真空度达到8×10-4Pa，接着向溅射室内通入纯度为99.99％的氩气，使溅射室内压强为2.0×10-2Pa，调整溅射室内温度为25℃。在溅射薄膜之前，采用引出电流为45mA，引出电压为1.6kV的氩离子束分别对靶材和基片各进行5-10min的预溅射清洗。首先以引出电流为20mA，引出电压为0.7kV的氩离子束对二氧化钛靶材轰击20min使其在基片上溅射沉积一层TiO2薄膜，然后在相同的条件下对锗靶材轰击3min，在已溅射二氧化钛薄膜的基片上溅射沉积形成一层Ge薄膜，这样通过转动二氧化钛靶材和锗靶材的位置在基片上交替溅射沉积TiO2、Ge薄膜，直至使薄膜厚度达到150nm，最后以溅射一层TiO2薄膜作为覆盖层结束，得到锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜。将得到的锗掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜进行退火，退火条件为：以升温速率为2℃/min，升温至500℃，保温时间为1h，然后随炉温冷却至室温，得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜，其微观结构如图1所示。
实例2
制备纳米复合薄膜时所需的石英基片和靶材的清洗过程同实例1。
将清洗干净的石英基片和靶材分别固定于溅射真空室内的基盘和靶位上，抽真空使本底真空度达到6.0×10-4Pa，接着向溅射室内通入纯度为99.99％的氩气，使溅射室内压强为2.5×10-2Pa，调整溅射室内温度为100℃。石英基片和靶材的预溅射清洗过程同实例1。首先以引出电流为20mA，引出电压为0.7kV的氩离子束对二氧化钛靶材轰击20min使其在基片上溅射沉积一层TiO2薄膜，然后在相同的条件下对锗靶材轰击10min，在已溅射二氧化钛薄膜的基片上溅射沉积形成一层Ge薄膜，这样通过转动二氧化钛靶材和锗靶材的位置在基片上交替溅射沉积TiO2、Ge薄膜，直至使薄膜厚度达到200nm，最后以溅射一层TiO2薄膜作为覆盖层结束，得到锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜。将得到的锗掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜进行退火，退火条件为：以升温速率为30℃/min，升温至400℃，保温时间为1h，然后随炉温冷却至室温，得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。
实例3
制备纳米复合薄膜时所需的石英基片和靶材的清洗过程同实例1。
将清洗干净的石英基片和靶材分别固定于溅射真空室内的基盘和靶位上，抽真空使本底真空度达到8.0×10-4Pa，接着向溅射室内通入纯度为99.99％的氩气，使溅射室内压强为2.0×10-2Pa，调整溅射室内温度为200℃。石英基片和靶材的预溅射清洗过程同实例1。首先以引出电流为30mA，引出电压为1.0kV的氩离子束对二氧化钛靶材轰击20min使其在基片上溅射沉积一层TiO2薄膜，然后在相同的条件下对锗靶材轰击6min，在已溅射二氧化钛薄膜的基片上溅射沉积形成一层Ge薄膜，这样通过转动二氧化钛靶材和锗靶材的位置在基片上交替溅射沉积TiO2、Ge薄膜，直至使薄膜厚度达到260nm，最后以溅射一层TiO2薄膜作为覆盖层结束，得到锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜。将得到的锗掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜进行退火，退火条件为：以升温速率为2℃/min，升温至600℃，保温时间为2h，然后随炉温冷却至室温，得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。

Claims (1)

1.一种锗量子点掺杂纳米二氧化钛复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)基片、靶材的清洗：首先用丙酮对石英基片或硅基片清洗10～15min，再用无水乙醇进行超声清洗10～15min，最后用去离子水反复清洗，晾干备用；用无水乙醇对纯度为99.99％以上的二氧化钛靶材和99.99％以上锗靶材表面擦拭干净，备用；
2)将经步骤1)清洗干净的基片和靶材分别置入离子束溅射室内的基盘和靶位上，抽真空使其本底真空度达到2.0×10-4Pa～9.4×10-4Pa，接着向溅射室内通入纯度为99.99％以上的工作气体-氩气，使溅射室内压强为2.0×10-2Pa～2.5×10-2Pa，调整溅射室温度为20℃～200℃；
3)采用引出电流为45mA，引出电压为1.6kV的氩离子束分别对靶材和基片各进行5-10min的预溅射清洗；
4)薄膜制备：首先以引出电流为10mA～40mA，引出电压为0.5kV～3kV的氩离子束对二氧化钛靶材进行轰击10～30min，使其在基片上溅射沉积一层TiO2薄膜，然后在相同的引出电流、电压的条件下对锗靶材轰击1～25min，在已溅射二氧化钛薄膜的基片上溅射沉积形成一层Ge薄膜，这样通过转动二氧化钛靶材和锗靶材的位置在基片上交替溅射沉积TiO2、Ge薄膜，直至使薄膜总厚度达到50～1000nm，最后以溅射一层TiO2薄膜作为覆盖层结束，在基片上得到锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜；
5)将步骤4)制备的锗掺杂纳米二氧化钛复合薄膜进行退火，所述的退火条件：以升温速率为2～40℃/min，升温至400～700℃，保温时间为0.5～2h，然后随炉温冷却至室温，在基片上得到锗量子点掺杂的纳米二氧化钛复合薄膜。
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