CN106118634A - 一种硫化锌薄膜的制备方法 - Google Patents

一种硫化锌薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硫化锌薄膜的制备方法，属于薄膜制备技术领域。本发明将硝酸锌溶液与碳酸钠溶液混合搅拌，形成碳酸锌沉淀，将碳酸锌沉淀用乙醇溶液洗涤，去除沉淀表面的硝酸锌与碳酸钠后，将碳酸锌沉淀制成烧结管，外面包覆一层不锈钢薄膜，制成镀不锈钢烧结管，再将甲硫氨酸溶液与沼液混合，进行发酵，收集发酵后产生的气体，将气体通入浓硫酸中，去除气体中的氨气和水，再收集气体，得硫化氢混合气，将其通入镀不锈钢烧结管中，在高温下，碳酸钠分解成氧化锌，氧化锌再与硫化氢混合气反应，即可生成一层硫化锌薄膜。本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，高达99％以上；波长大于600nm时，透射率高于80％。

Description

一种硫化锌薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硫化锌薄膜的制备方法，属于薄膜制备技术领域。
背景技术
ZnS作为一种性能优良的光学、电学和光电一体化材料，具有极大的应用价值。ZnS是禁带宽度为3.6eV的电子过剩型本征半导体。固态ZnS受紫外线辐射(低于335纳米)、阴极射线、X射线、γ射线以及电场(电荧光)激发时产生辐射，是一种很好的荧光材料。同时，在8-12微米波段，ZnS具有良好的红外透光率，并具有较高熔点，可用来作为红外窗口材料，广泛应用于制作光激发二极管、抗反射镀层、大功率红外激光器窗口和红外吊舱窗口以及导弹光罩等。
ZnS薄膜的纯度不高，且发光效率较低。利用化学反应方法制得的ZnS材料能在一定程度上克服以上缺点，获得较为理想的材料。如用化学气相沉积方法可以制得纳米晶ZnS薄膜，且纯度高、发光效率高，但工艺设备成本高，反应条件难控制，且掺杂困难。用普通化学方法，如化学浴法、溶胶-凝胶法能制取纯度高、粒径均匀、但是缺乏经济有效的反应前驱物，通常采用地反应物大都为金属有机化合物和有机硫代物，反应效果好，产物纯度高，但价格昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对ZnS薄膜的纯度不高，且发光效率较低，或者制备成本高，反应条件难以控制的问题，提供了一种将硝酸锌溶液与碳酸钠溶液混合搅拌，形成碳酸锌沉淀，将碳酸锌沉淀用乙醇溶液洗涤，去除沉淀表面的硝酸锌与碳酸钠后，将碳酸锌沉淀制成烧结管，外面包覆一层不锈钢薄膜，制成镀不锈钢烧结管，再将甲硫氨酸溶液与沼液混合，进行发酵，收集发酵后产生的气体，将气体通入浓硫酸中，去除气体中的氨气和水，再收集气体，得硫化氢混合气，将其通入镀不锈钢烧结管中，在高温下，碳酸钠分解成氧化锌，氧化锌再与硫化氢混合气反应，即可生成一层硫化锌薄膜。本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，发光效率高。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
（1）按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为110～150r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；
（2）将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤2～3次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至120～150℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至230～290℃，加热保温1～2h后，脱模，制备得烧结管；
（3）将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为3～5mm，真空度为1000～1500Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；
（4）量取300～450mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量5～7％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为28～32℃，发酵4～5天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；
（5）将步骤（3）制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为240～260℃，反应1～2h后，静置冷却至室温，取出烧结管；
（6）取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤2～3次后，置于温度为70～80℃的烘箱中烘干1～2h，即可制备得硫化锌薄膜。
本发明制备的硫化锌薄膜厚度为450～550nm，在300℃时，禁带宽度为3.7eV；波长大于600nm时，透射率高于80％。
本发明的原理：将硝酸锌溶液与碳酸钠溶液混合搅拌，形成碳酸锌沉淀，将碳酸锌沉淀用乙醇溶液洗涤，去除沉淀表面的硝酸锌与碳酸钠后，将碳酸锌沉淀制成烧结管，外面包覆一层不锈钢薄膜，制成镀不锈钢烧结管，再将甲硫氨酸溶液与沼液混合，进行发酵，收集发酵后产生的气体，将气体通入浓硫酸中，去除气体中的氨气和水，再收集气体，得硫化氢混合气，将其通入镀不锈钢烧结管中，在高温下，碳酸钠分解成氧化锌，氧化锌再与硫化氢混合气反应，即可生成一层硫化锌薄膜。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，高达99％以上；
（2）波长大于600nm时，透射率高于80％；
（3）本发明制备步骤简单，所需成本低。
具体实施方式
首先按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为110～150r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤2～3次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至120～150℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至230～290℃，加热保温1～2h后，脱模，制备得烧结管；再将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为3～5mm，真空度为1000～1500Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；量取300～450mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量5～7％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为28～32℃，发酵4～5天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；接着将制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为240～260℃，反应1～2h后，静置冷却至室温，取出烧结管；最后取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤2～3次后，置于温度为70～80℃的烘箱中烘干1～2h，即可制备得硫化锌薄膜。
实例1
首先按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为150r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤3次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至150℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至290℃，加热保温2h后，脱模，制备得烧结管；再将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为5mm，真空度为1500Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；量取450mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量7％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为32℃，发酵5天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；接着将制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为260℃，反应2h后，静置冷却至室温，取出烧结管；最后取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤3次后，置于温度为80℃的烘箱中烘干2h，即可制备得硫化锌薄膜。经检测，本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，高达99.2％；波长为620nm时，透射率为82％。
实例2
首先按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为150r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤2次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至130℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至270℃，加热保温1h后，脱模，制备得烧结管；再将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为4mm，真空度为1000Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；量取300mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量5％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为28℃，发酵4天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；接着将制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为240℃，反应1h后，静置冷却至室温，取出烧结管；最后取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤2次后，置于温度为70℃的烘箱中烘干1h，即可制备得硫化锌薄膜。经检测，本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，高达99.3％；波长为625nm时，透射率为83％。
实例3
首先按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为120r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤2次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至130℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至270℃，加热保温2h后，脱模，制备得烧结管；再将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为4mm，真空度为1200Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；量取350mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量6％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为30℃，发酵4天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；接着将制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为250℃，反应1h后，静置冷却至室温，取出烧结管；最后取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤2次后，置于温度为75℃的烘箱中烘干1h，即可制备得硫化锌薄膜。经检测，本发明制备的硫化锌薄膜纯度高，高达99.1％；波长为630nm时，透射率为81％。

Claims (1)

1.一种硫化锌薄膜的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按质量比1:1，将质量浓度为1.2mol/L硝酸锌溶液与质量浓度为0.75mol/L碳酸钠溶液混合均匀后，置于烧杯中，并对其搅拌，控制搅拌速率为110～150r/min，搅拌直至无沉淀产生，过滤，收集碳酸锌沉淀；
（2）将上述收集的碳酸锌沉淀用质量分数为35％乙醇溶液洗涤2～3次后，置于马弗炉中，并向马弗炉中充入氮气，排除马弗炉中的空气后，对马弗炉进行加热至120～150℃，加热至洗涤后的碳酸锌沉淀呈熔融状，将熔融物装入至模具中，并将模具填实后，将装好的模具放入烘箱中，加热至230～290℃，加热保温1～2h后，脱模，制备得烧结管；
（3）将上述制备的烧结管四周使用金属蒸镀机蒸镀不锈钢金属膜，控制膜的厚度为3～5mm，真空度为1000～1500Torr，得到镀不锈钢烧结管，备用；
（4）量取300～450mL质量分数为25％甲硫氨酸溶液，将其置于发酵罐中，并向发酵罐中加入甲硫氨酸溶液质量5～7％沼液，搅拌混合均匀后，将发酵罐密封，并控制发酵罐温度为28～32℃，发酵4～5天后，收集发酵罐中的气体，并将收集的气体通入质量分数为85％浓硫酸中，再次收集气体，得硫化氢混合气；
（5）将步骤（3）制备的不锈钢烧结管置于反应釜内，并向反应釜内充入氮气，排除空气后，再将上述制备的硫化氢混合气充入反应釜内，排除反应釜内的氮气后，对反应釜进行加热，控制温度为240～260℃，反应1～2h后，静置冷却至室温，取出烧结管；
（6）取出烧结管内部高温烧结形成的薄膜，并用无水乙醇洗涤2～3次后，置于温度为70～80℃的烘箱中烘干1～2h，即可制备得硫化锌薄膜。
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