CN108461386B - 一种含硅量子点多层膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含硅量子点多层膜及其制备方法，以硅烷、高纯甲烷和高纯氮气为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜；采用等离子体增强化学气相沉积技术在所制备的氢化碳氮硅薄膜表面制备非晶硅薄膜；重复上述步骤，制备周期性氢化碳氮硅薄膜/非晶硅多层膜，再在氩气氛围中对所制得的周期性多层膜进行热退火处理，硅量子点便在热退火处理过程中于碳氮硅薄膜内形成。通过多层膜和热退火的方式减小薄膜内应力和界面缺陷态，以碳、氮和氢元素钝化硅量子点表面断键和悬挂键，以非晶硅层和碳氮硅基质减小载流子在硅量子点间隧穿势垒，从而使含硅量子点的碳氮硅/非晶硅多层膜具有良好的光电特性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种含硅量子点多层膜及其制备方法。
背景技术
硅量子点因其尺寸效应、量子限域效应和表面效应等，具有发光效率高和导电性能好等优良的光电特性，并且，由于硅量子点材料绿色环保和储存丰富，因此，它在光电子学、太阳能电池、生物传感器以及荧光探针等方面有广泛的应用。此外，硅量子点材料制备和应用技术和硅基微电子器件技术可兼容，其在硅基纳米电子和光学器件方面也可产生重要作用。由于硅量子点的制备是影响硅量子点材料光电性能和应用的一个重要因素，目前人们已采用了多种方法和各种结构形式制备硅量子点，如激光烧蚀法、电化学腐蚀法、高温热解法、高温固相还原法、化学气相沉积法以及磁控溅射法等。但这些方法在硅量子点表面修饰以及内应力控制方面均存在一定不足。
发明内容
本发明目的是在纳米材料制备技术领域提供一种含硅量子点多层膜及其制备方法。该方法通过等离子体增强化学气相沉积技术在较低的基片温度下通过辉光放电方式生长一种含硅量子点的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜。该方法能为生长的硅量子点表面提供碳、氢、氮等修饰元素，从而有效减少硅量子点表面断键和悬挂键。此外，本发明通过多层膜结构和热退火处理方式可有效降低含硅量子点的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜的内应力且通过非晶硅薄膜和硅碳氮基质减小载流子在硅量子点间隧穿势垒，从而使含硅量子点的碳氮硅/非晶硅多层膜具有良好的光电特性，并有利于硅量子点在光电子器件中的应用。
本发明提供的一种含硅量子点多层膜及其制备方法，包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以硅烷、高纯甲烷和高纯氮气为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜；
（3）以硅烷为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面制备非晶硅薄膜；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜制备完成后，在高纯氩气氛围中对步骤（4）所获得的多层膜进行热退火处理，硅量子点便在热退火处理过程中于碳氮硅薄膜内形成。
所述的一种含硅量子点多层膜及其制备方法，其特征在于，所述的高纯甲烷的纯度大于99.999%；所述的高纯氮气的纯度大于99.999%；所述的高纯氩气的纯度大于99.999%；所述的硅烷为采用氢气稀释到体积浓度为10-20%的硅烷；进一步优选为所述的硅烷为氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷。
所述的步骤（2）中，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为250～350W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250～350℃，腔体压强为120～160Pa，高纯甲烷气体流量为10～20sccm，高纯氮气气体流量为5～10sccm，硅烷气体流量为100～180sccm，镀膜时间为80～150秒，薄膜厚度为5～10纳米。
所述的步骤（3）中，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为200～250W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250～350℃，腔体压强为90～120Pa，硅烷气体流量为40～70sccm，镀膜时间为50～150秒，薄膜厚度为4～8纳米。
所述的步骤（4）中，依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为15～25的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜。
所述的步骤（5）中，在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持20-25分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在高纯氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至700～800℃并保持20～30分钟，之后在高纯氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
本发明通过等离子体增强化学气相沉积技术制备一种含硅量子点多层膜，这种方法通过多层膜的结构形式在较低的基片温度下以辉光放电方式能在生长的硅量子点表面提供碳、氢、氮等修饰元素，从而有效减少硅量子点表面断键和悬挂键。此外，通过多层膜结构和热退火处理方式可有效降低薄膜内应力且非晶硅薄膜和硅碳氮基质能减小载流子在硅量子点间隧穿势垒，从而使含硅量子点的碳氮硅/非晶硅多层膜具有良好的光电特性，并有利于硅量子点在光电子器件中的应用。
附图说明
图1为在400纳米单色光激发下实施例1样品峰位位于500纳米处的光致发光曲线图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明所提供的一种含硅量子点多层膜及其制备方法，以下实施案例用以说明本发明，但不用于限制本发明。
实施例1：
一种含硅量子点多层膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以高纯甲烷（纯度大于99.999%）、氮气（纯度大于99.999%）和被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为250W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250℃，腔体压强为120Pa，高纯甲烷气体流量为10sccm，高纯氮气气体流量为5sccm，硅烷气体流量为100sccm，镀膜时间为80秒，薄膜厚度为6纳米；
（3）以被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为200W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250℃，腔体压强为90Pa，硅烷气体流量为40sccm，镀膜时间为50秒，薄膜厚度为4纳米；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为15的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持20分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至700℃并保持20分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
通过以上步骤一种含硅量子点的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜便制备完成。图1为在400纳米单色光激发下实施例1样品峰位位于500纳米处的光致发光曲线图。
实施例2：
一种含硅量子点多层膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以高纯甲烷（纯度大于99.999%）、氮气（纯度大于99.999%）和被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为300W，射频频率为13.56MHz，基片温度为300℃，腔体压强为140Pa，高纯甲烷气体流量为15sccm，高纯氮气气体流量为8sccm，硅烷气体流量为140sccm，镀膜时间为120秒，薄膜厚度为8纳米；
（3）以被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为230W，射频频率为13.56MHz，基片温度为300℃，腔体压强为100Pa，硅烷气体流量为50sccm，镀膜时间为80秒，薄膜厚度为6纳米；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为20的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持25分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至750℃并保持25分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
通过以上步骤一种含硅量子点的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜便制备完成。
实施例3：
一种含硅量子点多层膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以高纯甲烷（纯度大于99.999%）、氮气（纯度大于99.999%）和被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为350W，射频频率为13.56MHz，基片温度为350℃，腔体压强为160Pa，高纯甲烷气体流量为20sccm，高纯氮气气体流量为10sccm，硅烷气体流量为180sccm，镀膜时间为150秒，薄膜厚度为10纳米；
（3）以被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为250W，射频频率为13.56MHz，基片温度为350℃，腔体压强为120Pa，硅烷气体流量为70sccm，镀膜时间为100秒，薄膜厚度为7纳米；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为25的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持22分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至800℃并保持30分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
通过以上步骤一种含硅量子点的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜便制备完成。
实施例4：
一种含硅量子点多层膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以高纯甲烷（纯度大于99.999%）、氮气（纯度大于99.999%）和被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为280W，射频频率为13.56MHz，基片温度为280℃，腔体压强为130Pa，高纯甲烷气体流量为12sccm，高纯氮气气体流量为7sccm，硅烷气体流量为120sccm，镀膜时间为100秒，薄膜厚度为5纳米；
（3）以被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为220W，射频频率为13.56MHz，基片温度为280℃，腔体压强为110Pa，硅烷气体流量为60sccm，镀膜时间为150秒，薄膜厚度为8纳米；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为22的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持23分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至730℃并保持23分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
通过以上步骤一种含硅量子点的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜便制备完成。
实施例5：
一种含硅量子点多层膜及其制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以高纯甲烷（纯度大于99.999%）、氮气（纯度大于99.999%）和被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为330W，射频频率为13.56MHz，基片温度为330℃，腔体压强为150Pa，高纯甲烷气体流量为17sccm，高纯氮气气体流量为5sccm，硅烷气体流量为160sccm，镀膜时间为130秒，薄膜厚度为7纳米；
（3）以被氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷为工作气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为240W，射频频率为13.56MHz，基片温度为330℃，腔体压强为90Pa，硅烷气体流量为40sccm，镀膜时间为120秒，薄膜厚度为6纳米；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为18的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理。其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持20分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至770℃并保持27分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
通过以上步骤一种含硅量子点的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜便制备完成。
以上所述为本发明较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
（1）清洗单晶硅基片；
（2）以硅烷、高纯甲烷和高纯氮气为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜；
（3）以硅烷为反应气体，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面制备非晶硅薄膜；
（4）依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜；
（5）周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜制备完成后，在高纯氩气氛围中对步骤（4）所获得的多层膜进行热退火处理，硅量子点便在热退火处理过程中于碳氮硅薄膜内形成。
2.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，所述的高纯甲烷的纯度大于99.999%；所述的高纯氮气的纯度大于99.999%；所述的高纯氩气的纯度大于99.999%；所述的硅烷为采用氢气稀释到体积浓度为10-20%的硅烷。
3.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，所述的硅烷为采用氢气稀释到体积浓度为15%的硅烷。
4.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（1）中的单晶硅基片表面沉积一层氢化碳氮硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为250～350W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250～350℃，腔体压强为120～160Pa，高纯甲烷气体流量为10～20sccm，高纯氮气气体流量为5～10sccm，硅烷气体流量为100～180sccm，镀膜时间为80～150秒，薄膜厚度为5～10纳米。
5.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，采用等离子体增强化学气相沉积技术在步骤（2）中所制备的氢化碳氮硅薄膜表面沉积非晶硅薄膜，其工艺参数是：射频功率为200～250W，射频频率为13.56MHz，基片温度为250～350℃，腔体压强为90～120Pa，硅烷气体流量为40～70sccm，镀膜时间为50～150秒，薄膜厚度为4～8纳米。
6.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，依次重复步骤（2）和步骤（3），制备周期为15～25的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜。
7.权利要求1所述的含硅量子点多层膜的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，在高纯氩气气氛中对步骤（4）中所制备的周期性氢化碳氮硅/非晶硅多层膜进行热退火处理，其具体工艺是：升温前在石英退火炉内通入高纯氩气并保持20-25分钟，接着将制备完成的氢化碳氮硅/非晶硅多层膜置于石英舟内并推入石英退火炉，在氩气氛围保护下氢化碳氮硅/非晶硅多层膜随同石英退火炉一起升温至700～800℃并保持20～30分钟，之后在氩气氛围保护下随同石英退火炉一起自然冷却至室温。
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