CN106065493B - 一种高电阻率单晶氧化锌及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高电阻率单晶氧化锌及其制备方法和应用。该方法是将单晶ZnO晶片置于金属锂电化学装置中恒流放电处理后，放于800～1000℃、10～30atm的高压氧气气氛中退火处理20～28小时，得到所述高电阻率单晶氧化锌。该方法采用电化学方法结合退火处理，只需要简单的两个步骤即可获得超高电阻率的单晶ZnO晶片，得到的ZnO晶片电阻率高达1011 ohm cm。而且，本发明的制备方法新颖、操作简单，成本低，可重复性高，具有很好的推广应用前景。

Description

一种高电阻率单晶氧化锌及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于辐射探测器技术领域。更具体地，涉及一种高电阻率单晶氧化锌及其制备方法和应用。
背景技术
半导体核辐射探测器的研究已经经历了半个多世纪的时间。其在核科学、天文学、宇宙物理、核能利用、工业自动化、核电站、核医学成像、反恐防恐和环保监测等众多领域得到了广泛的应用。
目前，由于器件工艺的成熟，基于硅、锗为代表的第一代半导体材料已经发展了较为成熟的探测器件制备技术。但是，无论硅还是锗都因其较窄的带隙而对环境温度敏感、抗辐射能力弱，因而将其装备到强辐照环境下工作的系统中受到较大的限制。另一方面，对于化合物半导体，如III-V族化合物GaAs、InGaAs、GaN，II-VI族化合物CdTe、CdZnTe，VII-B族二元卤族化合物HgI2、PbI2、TlBr以及它们的三元化合物HgCdTe等，这些材料大多数都存在熔点低、易分解、抗辐照能力弱的缺点，基于其所搭建器件性能的稳定性及可靠性难以保证，这些问题大大限制了相关辐射探测器件的广泛应用。
比之相比，具有更强抗辐照能力、更宽带隙、更高的击穿电场强度等优异特性的ZnO宽禁带半导体材料逐渐受到关注，但是，如何获得高电阻率从而强烈抑制暗电流噪声以便获得高信噪比的高电阻率单晶ZnO，一直是阻碍其在辐射探测领域应用的重要阻碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中难以获得高电阻率单晶ZnO的缺陷和技术不足，提供一种辐射或光电探测器件级高电阻率单晶ZnO的制备方法。该方法采用电化学方法结合退火处理即可获得超高电阻率的单晶ZnO晶片，制备方法新颖、操作简单，成本低，可重复性高。
本发明的目的是提供一种高电阻率单晶氧化锌的制备方法。
本发明另一目的是提供所述方法制备得到的高电阻率单晶氧化锌。
本发明的再一目的是提供所述高电阻率单晶氧化锌的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种高电阻率单晶氧化锌的制备方法，包括如下步骤：
S1.将单晶ZnO晶片置于金属锂电化学装置中，恒流放电处理，实现锂在ZnO单晶中的注入；
S2.将步骤S1处理过的ZnO单晶放于600～1000℃、5～30atm的氧气气氛炉中退火处理10～28小时，进行锂金属的去除处理，即可得到高电阻率ZnO单晶片。
其中，步骤S1和步骤S2的操作顺序必须严格控制，先进行步骤S1，再进行步骤S2。
步骤S1中，利用锂与ZnO天然化学位能的差异，采取可控的放电过程，实现锂在ZnO中的高效注入。
步骤S1所述的单晶ZnO晶片为低阻高质量单晶ZnO晶片。
优选地，步骤S1所述金属锂电化学装置内的电解液为0.5～1.5M LiPF6 溶液分散于体积比为2～5：2～4：2～4的碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液，采用Celgard 2400聚乙烯多微孔膜做为电子隔膜。
更优选地，步骤S1所述金属锂电化学装置内的电解液为1M LiPF6 溶液分散于体积比为4：3：3的碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液。
作为一种优选的可实施方案，步骤S1所述金属锂电化学装置为锂电池壳。使用时，将ZnO晶片放于商用的锂电池结构中恒流放电处理。
优选地，步骤S1所述将单晶ZnO晶片置于金属锂电化学装置中的方法具体是按照如下顺序将单晶ZnO晶片装配到锂电池壳中：正级壳、单晶ZnO晶片、聚乙烯多微孔膜、金属锂片、闪电极、弹簧电极、负极壳，外圈是绝缘套层。
优选地，步骤S1所述恒流放电处理是1～4uA恒流放电处理10～25小时。
优选地，步骤S1所述恒流放电处理是3uA恒流放电处理15小时。
另外，优选地，步骤S1所述的单晶ZnO晶片的大小为10厘米见方。
优选地，步骤S1所述的单晶ZnO晶片的厚度为0.2～0.5毫米。
更优选地，是当单晶ZnO晶片的厚度为0.2毫米时，3uA恒流放电处理10小时；当单晶ZnO晶片的厚度为0.3毫米时，3uA恒流放电处理15小时；单晶ZnO晶片的厚度为0.5毫米时，3uA恒流放电处理25小时。
优选地，步骤S2是将步骤S1处理过的ZnO单晶放于800～900℃、15～25atm的氧气气氛炉中退火处理22～26小时。
更优选地，步骤S2是将步骤S1处理过的ZnO单晶放于800℃、20atm的高压氧气气氛炉中退火处理24小时。
另外，由上述方法制备得到的高电阻率单晶氧化锌，以及所述高电阻率单晶氧化锌在制备辐射探测器件或光电探测器件方面的应用，也都在本发明的保护范围之内。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种辐射或光电探测器件级高电阻率单晶ZnO的制备方法，该方法采用电化学方法结合退火处理，只需要简单的两个步骤即可获得超高电阻率的单晶ZnO晶片，得到的ZnO晶片电阻率高达1011 Ωcm。
而且，本发明的制备方法新颖、操作简单，成本低，可重复性高，具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为制备高电阻率单晶ZnO时低阻氧化锌晶格置于金属锂电池壳的电化学池配置顺序图。
图2为高温高压氧气气氛退火所使用的装置图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
1、制备高电阻率单晶ZnO
（1）室温下在氩气填充的手套箱中，将10厘米见方的高质量低阻氧化锌晶片按图1所示顺序装配到商用CR 2032电池壳中，其中所用到的电解液为1 M LiPF6 溶液分散于体积比为4：3：3的碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液中，采用Celgard 2400聚乙烯多微孔膜做为电子隔膜。
通过LAND BT2013A多通道电池测试系统在室温下进行恒流放电处理，实现锂在ZnO单晶中的注入。
本实施例所用高质量低阻氧化锌晶片的厚度0.3毫米，恒流放电电流设定为3微安，放电时间设定为15小时。
（2）将上述步骤（1）处理过的进锂氧化锌晶片放置于图2所示的高温高压退火炉中，进行晶格中锂的去除，得到高电阻率ZnO单晶片。
本实施例所用的锂去除装置，其可承受高温高压氧气气氛，按实验需求，氧压设为20标准大气压，温度设为800摄氏度，退火时间设为24小时。
2、上述制备得到的高电阻率ZnO单晶片的电阻率为1011Ωcm，比处理之前提高了1011。
实施例2
1、制备高电阻率单晶ZnO
方法同实施例1，不同之处在于，步骤（1）中的ZnO晶片的厚度0.2毫米，恒流放电电流设定为3微安，放电时间设定为10小时。
本实施例与实施例1相比，由于晶片厚度的降低，而缩短了放电时间，从而获得相同的处理结果。
2、本实施例制备得到的高电阻率ZnO单晶片的电阻率为1011Ωcm，比处理之前提高了1011。
实施例3
1、制备高电阻率单晶ZnO
方法同实施例1，不同之处在于，步骤（1）中的ZnO晶片的厚度0.5毫米，恒流放电电流设定为3微安，放电时间设定为25小时。
本实施例与实施例1相比，由于晶片厚度的增加，而延长了放电时间，从而获得相同的处理结果。
2、本实施例制备得到的高电阻率ZnO单晶片的电阻率为1011Ωcm，比处理之前提高了1011。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高电阻率单晶氧化锌的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将单晶ZnO晶片置于金属锂电化学装置中，恒流放电处理；其中，所述金属锂电化学装置为锂电池壳；
S2.将步骤S1处理过的ZnO单晶放于600～1000℃、5～30atm的氧气气氛中退火处理10～28小时，即可得到高电阻率ZnO单晶片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述金属锂电化学装置内的电解液为0.5～1.5M LiPF6 溶液分散于体积比为2～5：2～4：2～4的碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液中，采用聚乙烯多微孔膜做为电子隔膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述将单晶ZnO晶片置于金属锂电化学装置中的方法具体是按照如下顺序将单晶ZnO晶片装配到锂电池壳中：正级壳、单晶ZnO晶片、聚乙烯多微孔膜、金属锂片、闪电极、弹簧电极、负极壳。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述恒流放电处理是1～4uA恒流放电处理10～25小时。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述恒流放电处理是3uA恒流放电处理15小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2是将步骤S1处理过的ZnO单晶放于800～900℃、15～25atm的氧气气氛炉中退火处理22～26小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2是将步骤S1处理过的ZnO单晶放于800℃、20atm的高压氧气气氛中退火处理24小时。
8.根据权利要求1～7任一所述方法制备得到的高电阻率单晶氧化锌。
9.权利要求8所述高电阻率单晶氧化锌在制备辐射探测器件或光电探测器件方面的应用。
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