CN108465465A - 一种半导体薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体薄膜技术领域，尤其涉及一种半导体薄膜及其制备方法。本发明提供了一种半导体薄膜，包括掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃。本发明还提供一种半导体薄膜制备方法，包括：步骤1：制备光子晶体的FTO导电玻璃和配制含钨前驱液；步骤2：将所述光子晶体的FTO导电玻璃与所述含钨的前驱液通过溶剂热反应制得所述半导体薄膜。本发明提供的半导体薄膜有效解决当前的光子晶体存在禁带宽度大，以及光生电子‑空穴对的复合率高的技术缺陷。
Description
技术领域
本发明属于半导体薄膜技术领域，尤其涉及一种半导体薄膜及其制备方法。
背景技术
近些年，环境污染成为人们亟待解决的一个重要问题。因半导体材料展现出独特的性能，使其为催化降解污染物注入了新的活力。尤其是面对水污染处理这一严峻的挑战，半导体催化剂能够吸收利用太阳光这一绿色能源来催化降解废水中的有机物，其光催化效率高、安全性好，能降解几乎所有的有机污染物，使得开发比表面积大、光催化活性高、光响应范围广的光催化材料和经济、有效、环境友好的光催化废水处理技术成为当下研究的重要内容。
二氧化锡是一种非常重要的宽能级N型半导体金属氧化物(禁带宽度为3.6eV)由于其具有良好的气敏性能和独特的光学、电学性能，在气敏元件、气体传感器、电极材料及太阳能电池等多种领域有着广阔的应用前景。然而随着人们对二氧化锡的进一步研究，发现它也是一种很好的光催化剂，越来越多的人将其应用到光催化领域。光催化作用是在具有较高能量的紫外光照射下激发产生的，但是由于二氧化锡具有较宽的能级，因此只有较小波长的紫外光才能激发它的光催化作用，使得其对太阳光的利用率较低。另外，在光催化的过程中发挥关键作用的光生电子-空穴对因为不稳定而很容易复合，这也限制了二氧化锡光催化作用的发挥。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种半导体薄膜及其制备方法能有效解决当前的光子晶体存在禁带宽度大，以及光生电子-空穴对的复合率高的技术缺陷。
本发明提供了一种半导体薄膜，包括掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃。
作为优选，所述光子晶体包括二氧化锡光子晶体或二氧化硅光子晶体。
作为优选，所述包括掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃具体包括：通过溶液热反应或化学气相淀积方法将钨掺杂在所述光子晶体的FTO导电玻璃的表面。
具体的，所述钨为氧化钨颗粒，掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃为掺杂氧化钨的光子晶体的FTO导电玻璃。
本发明提供了一种半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备光子晶体的FTO导电玻璃和配制含钨前驱液；
步骤2：将所述光子晶体的FTO导电玻璃与所述含钨的前驱液通过溶剂热反应制得所述半导体薄膜。
作为优选，所述光子晶体包括二氧化锡光子晶体或二氧化硅光子晶体。
作为优选，所述光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法包括：将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液后，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃，将含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃与二氧化锡溶液或二氧化硅溶液混合，经高温退火处理，得到光子晶体的FTO导电玻璃。
作为优选，所述高温退火处理具体为在450℃条件下退火两小时。
作为优选，所述溶剂热反应的反应温度为100℃，反应时间为6-10小时。
作为优选，所述含钨前驱液包括含钨化合物的前驱液和含钨酸的前驱液。
进一步的，所述含钨化合物的前驱液包括氯化钨的前驱液。
作为优选，所述氯化钨的前驱液的氯化钨浓度为0.0025-0.005g/ml。
作为优选，所述氯化钨的前驱液的制备方法为：将氯化钨与醇类溶剂混合制得氯化钨的前驱液。
作为优选，所述醇类溶剂包括甲醇和/或乙醇。
需要说明的是，氯化钨的前驱液通过溶剂热反应后，氯化钨氧化成氧化钨颗粒掺杂在光子晶体的FTO导电玻璃的表面。
需要说明的是，采用化学气相淀积方法也能实现在光子晶体的FTO导电玻璃上掺杂氧化钨。
本发明提供的半导体薄膜在太阳能电池中的应用。
本发明提供的半导体薄膜在光催化中的应用。
本发明提供的半导体薄膜在制氢中的应用。
本发明公开了一种半导体薄膜，本发明创造性地将含钨颗粒掺杂在光子晶体的FTO导电玻璃的表面，制作出半导体薄膜。当前光子晶体的禁带宽度大，例如二氧化锡的光子晶体的禁带宽度为3.6eV，使得二氧化锡的光子晶体对太阳光的利用率较低，因此，本发明的在FTO导电玻璃上的二氧化锡光子晶体上掺杂钨，在一种纯组元半导体中掺杂钨，由于SnO2(二氧化锡的禁带宽度为3.6eV)和WO3(氧化钨的禁带宽度为2.8eV)的原子间的相互作用不同，掺杂氧化钨颗粒后得到的半导体薄膜的能带在合金体系下将既不完全来自与SnO2也不完全来自与WO3，从统计上讲，是介于两者之间的一种相互作用，所以本发明的半导体薄膜的合金带隙会不同于单纯的SnO2或者WO3，因此，掺杂钨的半导体薄膜能大大减少光子晶体的禁带宽度，由于禁带宽度的减小，使得光生电子-空穴对的复合率提高。
本发明还提供了半导体薄膜的制备方法，制备方法具体为通过溶液热反应或化学气相淀积方法将钨掺杂在光子晶体的FTO导电玻璃的表面，因此，该制备方法所需设备及制备工艺简单、成本低廉，可直接大批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的实施例1制备的半导体薄膜的80000倍的扫描电子显微镜的表面SEM图像；
图2是本发明提供的实施例1制备的半导体薄膜的180000倍的扫描电子显微镜的表面SEM图像；
图3本发明提供的实施例2至4制备的半导体薄膜的X射线衍射图，其中，WO3-31为实施例4的半导体薄膜的X射线衍射图，WO3-33为实施例2的半导体薄膜的X射线衍射图，WO3-36为实施例3的半导体薄膜的X射线衍射图。
具体实施方式
本发明提供了一种半导体薄膜及其制备方法，用于解决当前的光子晶体在光催化领域中存在禁带宽度大，以及光生电子-空穴对的复合率高的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备光子晶体的FTO导电玻璃和配制含钨前驱液；
步骤2：将光子晶体的FTO导电玻璃与所述含钨前驱液通过溶剂热反应制得半导体薄膜。
具体的，步骤1之前还包括：将FTO导电玻璃进行清洗，得到清洗干净的FTO导电玻璃。
具体的，FTO导电玻璃的方块电阻为14Ω/cm2，其透射率大于90％。
具体的，FTO导电玻璃的清洗方法包括：将FTO导电玻璃放入食人鱼溶液浸泡12小时，然后在含有FTO导电玻璃的食人鱼溶液中加入去离子水，使食人鱼溶液稀释至中性，得到干净的FTO导电玻璃。
具体的，光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法包括：将清洗干净的FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液中，使聚苯乙烯的小球均匀覆盖在FTO导电玻璃的表面，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃；接着将其浸泡在二氧化锡溶液或二氧化硅溶液中，其中二氧化锡溶液或二氧化硅溶液中加入NH4F，浸泡60min后，在450℃下退火两小时，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃或二氧化硅光子晶体的FTO导电玻璃。
其中，聚苯乙烯溶液的溶剂为乙醇。
具体的，含钨前驱液包括含钨化合物的前驱液或/和含钨酸盐的前驱液。
具体的，含钨化合物的前驱液包括氯化钨的前驱液。
具体的，氯化钨的前驱液的制备方法包括：将氯化钨与醇类溶剂混合制得氯化钨的前驱液。
具体的，配制含钨前驱液的溶剂为甲醇或/和乙醇。
具体的，氯化钨的前驱液的氯化钨浓度为0.0025-0.005g/ml。
具体的，将光子晶体的FTO导电玻璃与含钨前驱液通过溶剂热反应制得半导体薄膜具体包括：将光子晶体的FTO导电玻璃放入高压反应釜内胆，将含钨前驱液倒入高压反应釜内胆，密封后放入鼓风干燥箱中，恒温进行溶剂热反应后，再进行退火处理，最终得到掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃的半导体薄膜。
具体的，溶剂热反应的反应温度为100℃，反应时间为6-10小时。
其中，以下实施例所用的原料均为市售或自制。
需要说明的是，FTO导电玻璃为掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(SnO2：F)，简称为FTO；CVD为化学气相淀积反应。
实施例1
本实施例提供了一种具体的半导体薄膜，其制备步骤为：
使用清洗干净的FTO导电玻璃，在其导电面上制作二氧化锡光子晶体，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃，二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法具体为：首先将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液(其中，聚苯乙烯溶液的溶剂为乙醇)，使聚苯乙烯小球均匀覆盖在玻璃表面，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃，接着将其与二氧化锡溶液混合(其中，二氧化锡溶液中加入NH4F)，浸泡混合60min后在450℃下退火两小时，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃。以40ml甲醇为溶剂，0.1g氯化钨为钨源，配制氯化钨的前驱液。再将二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃放入高压反应釜内胆，将配制的氯化钨的前驱液倒入高压反应釜内胆，密封后放入鼓风干燥箱中，100℃恒温反应10h。在溶剂热反应后，再将其放入马弗炉进行退火处理，得到半导体薄膜。
对半导体薄膜采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)的分析方法进行表征，并对所制备的半导体薄膜的形貌、结构、成分和光学性能进行分析，结果如图1至图2所示。如图1所示，在80000倍的扫描电子显微镜下观察到的二氧化锡光子晶体，多层、有序地叠在一起，在二氧化锡光子晶体上掺杂着氧化钨的纳米颗粒(氯化钨氧化成氧化钨掺杂到二氧化锡光子晶体上)；图2为在180000倍的扫描电子显微镜下观察到的排列有序的二氧化锡光子晶体。说明在二氧化锡光子晶体上掺杂着氧化钨的纳米颗粒。
实施例2
本实施例提供了一种具体的半导体薄膜，其制备步骤为：
使用清洗干净的FTO导电玻璃，在其导电面上制作二氧化锡光子晶体，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃，二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法具体为：首先将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液(其中，聚苯乙烯溶液的溶剂为乙醇)，使聚苯乙烯小球均匀覆盖在玻璃表面，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃，接着将其与二氧化锡溶液混合(其中，二氧化锡溶液中加入NH4F)，浸泡混合60min后在450℃下退火两小时，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃。以40ml甲醇为溶剂，0.1g氯化钨为钨源，配制氯化钨的前驱液。再将二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃放入高压反应釜内胆，将配制的氯化钨的前驱液倒入高压反应釜内胆，密封后放入鼓风干燥箱中，100摄氏度恒温反应6h。在溶剂热反应后，再将其放入马弗炉进行退火处理，得到半导体薄膜。
实施例3
本实施例提供了一种具体的半导体薄膜，其制备步骤为：
使用清洗干净的FTO导电玻璃，在其导电面上制作二氧化锡光子晶体，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃，二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法具体为：首先将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液(其中，聚苯乙烯溶液的溶剂为乙醇)，使聚苯乙烯小球均匀覆盖在玻璃表面，含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃，接着将其与二氧化锡溶液混合(其中，二氧化锡溶液中加入NH4F)，浸泡混合60min后在450℃下退火两小时，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃。以20ml甲醇为溶剂，0.1g氯化钨为钨源，配制氯化钨的前驱液。再将二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃放入高压反应釜内胆，将配制的氯化钨的前驱液倒入高压反应釜内胆，密封后放入鼓风干燥箱中，100摄氏度恒温反应10h。在溶剂热反应后，再将其放入马弗炉进行退火处理，得到半导体薄膜。
实施例4
本实施例提供了一种具体的半导体薄膜，其制备步骤为：
使用清洗干净的FTO导电玻璃，在其导电面上制作二氧化锡光子晶体，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃，二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法具体为：首先将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液(其中，聚苯乙烯溶液的溶剂为乙醇)，使聚苯乙烯小球均匀覆盖在玻璃表面，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃，接着将其与二氧化锡溶液混合(其中，二氧化锡溶液中加入NH4F)，浸泡混合60min后在450℃下退火两小时，得到二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃。以20ml甲醇为溶剂，0.1g氯化钨为钨源，配制氯化钨的前驱液。再将二氧化锡光子晶体的FTO导电玻璃放入高压反应釜内胆，将配制的氯化钨的前驱液倒入高压反应釜内胆，密封后放入鼓风干燥箱中，100摄氏度恒温反应6h。在溶剂热反应后，再将其放入马弗炉进行退火处理，得到半导体薄膜。
图3为实施例2、实施例3和实施例4的半导体薄膜的X射线衍射数据，从上到下三个曲线，WO3-31为实施例4的半导体薄膜的X射线衍射图，WO3-33为实施例2的半导体薄膜的X射线衍射图，WO3-36为实施例3的半导体薄膜的X射线衍射图，氯化钨的浓度由下往上依次增加。在同一曲线上的不同图形表示了不同物质的峰，心形表示氯化钨，菱形表示二氧化锡，从图3可见氯化钨浓度最高的样品，其氯化钨的峰越明显，说明在光子晶体的FTO导电玻璃上掺杂氧化钨越多。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体薄膜，其特征在于，包括掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃。
2.根据权利要求1所述的半导体薄膜，其特征在于，所述光子晶体包括二氧化锡光子晶体或二氧化硅光子晶体。
3.根据权利要求1所述的半导体薄膜，其特征在于，所述掺杂钨的光子晶体的FTO导电玻璃具体包括：通过溶液热反应或化学气相淀积方法将钨掺杂在所述光子晶体的FTO导电玻璃的表面。
4.一种半导体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备光子晶体的FTO导电玻璃和配制含钨前驱液；
步骤2：将所述光子晶体的FTO导电玻璃与所述含钨前驱液通过溶剂热反应制得所述半导体薄膜。
5.根据权利要求4所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述光子晶体包括二氧化锡光子晶体或二氧化硅光子晶体。
6.根据权利要求4所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述光子晶体的FTO导电玻璃的制备方法包括：将FTO导电玻璃浸泡在聚苯乙烯溶液后，得到含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃；将含有聚苯乙烯溶液的FTO导电玻璃与二氧化锡溶液或二氧化硅溶液混合，经高温退火处理，得到光子晶体的FTO导电玻璃。
7.根据权利要求4所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述含钨前驱液包括含钨化合物的前驱液或/和含钨酸盐的前驱液。
8.根据权利要求7所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述含钨化合物的前驱液包括氯化钨的前驱液。
9.根据权利要求8所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述氯化钨的前驱液的制备方法包括：将氯化钨与醇类溶剂混合制得氯化钨的前驱液。
10.根据权利要求9所述的半导体薄膜的制备方法，其特征在于，所述氯化钨的前驱液的氯化钨浓度为0.0025-0.005g/ml。
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