CN105967220A - 一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法 - Google Patents

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朱丽萍
牛文哲
王怡尘
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Abstract

本发明公开了一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法，其步骤如下：将铜片清洗后用氮气吹干；再放在管式炉的石英管内，通入氩气做保护气体，以15℃/min的速度升温至1050‑1100℃，并保温一个小时；1050‑1100℃下，通入空气将铜片氧化，保温一个小时；然后1050‑1100℃下，再次使用氩气将空气赶出，氩气氛围下保温两个小时；最后在氩气保护下，以10℃/min的速度降温至500℃，然后自然冷却至室温，获得高质量p型氧化亚铜薄膜。本发明获得的氧化亚铜具有晶粒尺寸大，载流子迁移率达到60cm2/V·s以上。本发明操作简便，结果稳定，可获得高质量的氧化亚铜薄膜。

Description

一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种p型氧化亚铜薄膜的制备方法，尤其涉及一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
最近的一项研究报导列举了九种无机半导体材料，其被认为既具有材料提取成本低于晶体硅的优点又具有优异的发电潜能。其中，氧化亚铜作为太阳能电池吸光层的应用潜能受到了极大的关注。氧化亚铜是一种本征p型的半导体材料，其禁带宽度为2.1eV，其本征p型导电是由其晶体内部的铜空位形成受主能级而造成的。氧化亚铜在可见光区域有较高的吸收系数和光电转换效率。根据肖克利-奎伊瑟极限，同质结氧化亚铜太阳能电池效率理论上可达20％。另外，氧化亚铜还在光催化降解，催化剂，磁存储装置等方面有潜在的应用前景。
目前关于氧化亚铜薄膜制备的研究中，主要有物理沉积法，包括磁控溅射沉积和脉冲激光沉积等；电化学沉积法和高温热氧化法。其中物理法生长的氧化亚铜薄膜有晶粒尺寸小，薄膜致密度不高的缺点。电化学沉积可沉积得到晶体质量不错的氧化亚铜薄膜，但是又有生长速度慢，薄膜厚度分布不均匀等缺点，不利于大规模工业生产。本发明中第(2)步是为了是铜基片充分加热。第(3)步是为了使铜片与空气中的氧气反应生成氧化亚铜。第(4)部是为了获得结晶质量高，晶粒尺寸大的氧化亚铜薄膜。最后一步是在保护气体的氛围下缓慢降温，一方面避免氧化亚铜被氧化为氧化铜，另一方面避免降温速度过快带来的应力裂痕。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法。
本发明采用热氧化法，使用纯铜衬底在高温下(1050-1100℃)与氧气反应获得目标产物，通过高温退火获得优异的结构性能和电学性能，具体包括如下步骤：
1)将纯度为99.999％，厚度为0.01-0.2mm的铜片裁剪为实际需要的大小，使用质量分数为20％的硝酸溶液清洗30s，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干备用；
2)将上述铜片置于石英舟中再放入管式炉中，先用机械泵抽出空气，然后通入氩气，重复几次直至空气完全排除，保持氩气氛围，以15℃/min的速度升温至1050-1100℃，保温一个小时；该步可使得铜基片充分加热；
3)在1050-1100℃温度下，通入空气，保温一个小时；铜与空气中的氧气发生反应生成氧化亚铜；
4)在1050-1100℃温度下，如步骤2)中再次排出空气，通入氩气保护，保温两个小时；
5)在氩气保护下，以10℃/min的速度降温至500℃，然后自然冷却至室温取出，得到高质量p型氧化亚铜薄膜。通过在氩气氛围下缓慢降温一方面可避免氧化亚铜被氧化为氧化铜，另一方面避免降温速度过快带来的应力裂痕。
本发明中采用的制备方法获得的p型氧化亚铜薄膜结晶质量高、晶粒尺寸大，电学性能优异、载流子迁移率达到60cm2/V·s以上，采用原料存储量丰富、成本低廉、无毒性、无污染，可有效降低产品成本，此外该方法简单可行、对设备要求不高，可以大规模应用于工业生产中，有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明获得的氧化亚铜薄膜的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
1)将纯度为99.999％，厚度为0.01mm的铜片裁剪为20mm×20mm的大小，配备质量分数为20％的硝酸溶液，用镊子夹着铜片在硝酸中清洗30s，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干备用。
2)将清洗好的铜片放在石英舟中放入管式炉中，先用机械泵抽出空气，然后通入氩气，重复几次直至空气完全排除，关闭机械泵，保持通入氩气。以15℃/min的速度升温至1050℃，保温一个小时。
3)在1050℃温度下，停止通入氩气，开始在管式炉一端通入空气，另一端使用机械泵抽气，使空气流动畅通，保温一个小时。
4)在1050℃温度下，重复步骤2)中的步骤，保温两个小时。
5)在氩气保护下，以10℃/min的速度降温至500℃，然后自然冷却至室温，关闭氩气，取出样品。
本例制得的p型氧化亚铜薄膜，其XRD图谱如图1所示，其电阻率为8.551×103Ω·cm，迁移率为65.7cm3/V·s，载流子空穴浓度为1.111×1013/cm3。
实施例2
1)将纯度为99.999％，厚度为0.2mm的铜片裁剪为10mm×10mm的大小，配备质量分数为20％的硝酸溶液，用镊子夹着铜片在硝酸中清洗30s，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干备用。
2)将清洗好的铜片放在石英舟中放入管式炉中，先用机械泵抽出空气，然后通入氩气，重复几次直至空气完全排除，关闭机械泵，保持通入氩气。以15℃/min的速度升温至1100℃，保温一个小时。
3)在1100℃温度下，停止通入氩气，开始在管式炉一端通入空气，另一端使用机械泵抽气，使空气流动畅通，保温一个小时。
4)在1100℃温度下，重复步骤2)中的步骤，保温两个小时。
5)在氩气保护下，以10℃/min的速度降温至500℃，然后自然冷却至室温，关闭氩气，取出样品。
本例制得的p型氧化亚铜薄膜，其电阻率为8.461×103Ω·cm，迁移率为69.3cm3/V·s，载流子空穴浓度为1.244×1013/cm3。

Claims (1)

1.一种高质量p型氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于，该方法的制备步骤如下：
1)将纯度为99.999％，厚度为0.01-0.2mm的铜片裁剪为实际需要的大小，使用质量分数为20％的硝酸溶液清洗30s，然后用去离子水冲洗干净，用氮气吹干备用；
2)将上述铜片置于石英舟中再放入管式炉中，先用机械泵抽出空气，然后通入氩气，重复几次直至空气完全排除，保持氩气氛围，以15℃/min的速度升温至1050-1100℃，保温一个小时；
3)在1050-1100℃温度下，通入空气，保温一个小时；
4)在1050-1100℃温度下，如步骤2)中再次排出空气，通入氩气保护，保温两个小时；
5)在氩气保护下，以10℃/min的速度降温至500℃，然后自然冷却至室温取出，得到高质量p型氧化亚铜薄膜。
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