CN108511324B - 一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法,纳米片的制备方法是化学气相沉积(CVD)技术，在46Pa附近的本底真空下，通过高纯氩气作为载体，在恒定温度的衬底上进行生长，之后再在氩气氛围下进行退火。本发明所得到的γ‑In2Se3纳米片组分均匀，形貌为正六边形，尺寸大小在5μm左右，有利于对材料进行光刻等微加工工艺，为制备光电子、光伏等器件提供更简单易行的制备工艺。同时γ‑In2Se3纳米片材料制备参数易调整，设备简单，易操作，生长过程可控，工艺重复性好，具有较高的制备效率。它在光电子学领域的独特优势将为新型光伏器件的应用打下基础。

Description

一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体光电材料技术领域,具体为γ相硒化铟纳米结构材料、化学气相沉积生长方法及其光学性质的应用,特别设计一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法。
背景技术
近年来，由于其特殊的光学和电学特性，III-VI族化合物半导体材料被广泛应用在晶体管、太阳能电池和光电探测器等光电子器件中。作为一种典型的III-VI族化合物半导体，In2Se3是一种复杂的直接带隙半导体材料，它属于六方晶系，具有层状结构，原子排列顺序为Se-In-Se-In-Se，在单个原子层内由共价键相互作用，而在层与层之间是较弱的范德华力相互作用。此外，In2Se3可以呈现出五个不同的晶格结构(α、β、γ、δ和K相)，其中γ-In2Se3是一种带缺陷型的纤锌矿结构，缺陷沿着z轴方向成螺旋状。
γ-In2Se3材料的制备已经有十几年的历史。制备工艺的选择；衬底种类的选择及后期的处理过程对材料的光学性能有明显的影响。早在1996年，Marsillac用固态反应的方法制备出γ-In2Se3薄膜，并对其结构以及光学性能进行初步研究；2000年，TomohikoOhtsuka用分子束外延的方法在GaAs(111)衬底上沉积带缺陷的纤锌矿结构的γ-In2Se3薄膜，并对其在波长范围576-586nm内进行不同温度条件下的光致发光光谱的测试，得到其室温下的带隙宽度为1.90eV。2008年，Huang Yen-Chin等人利用金属氧化物化学气相沉积的方法，在硅衬底上获得γ-In2Se3薄膜，发现生长温度对于生成γ相晶格结构至关重要，并且发现控制生长温度为能够有效提高薄膜的晶格质量。
与薄膜材料相比，纳米材料有更高的表面积与体积比，γ-In2Se3纳米结构在光电子学领域将会有更大的应用前景，例如激光器、发光二极管以及太阳能电池等器件应用。2011年，M.D.Yang利用金属氧化物化学气相沉积的方法在硅沉底上成功合成单一相的γ-In2Se3纳米点，通过阴极射线发光谱和光吸收谱获得的光吸收系数显示γ-In2Se3纳米点在光伏应用领域作为吸收层具有重要的应用前景。2017年，Shuo Chen利用热注入合成胶体的方法合成二维γ-In2Se3纳米球花状结构，并制作γ-In2Se3和硅的异质结光电二极管，在可见光和近红外光照明条件下，该器件展现的很高的光响应速率和光探测率。但是以上提供的方法步骤繁琐，获得的纳米结构尺寸均不到1μm，并且没有关注晶格内部杂质或者缺陷对γ-In2Se3纳米结构光学性能的影响。
γ-In2Se3纳米结构在光电子学领域具有很大的应用前景，研究其生长方法，获得高质量大尺寸的纳米结构具有较大的研究价值,现阶段还没有很好的方法制备出高质量大尺寸的γ-In2Se3纳米结构,因此本发明中就介绍了一种运用化学气相沉积的方法生长出大尺寸高质量γ-In2Se3纳米片的方法，并提供了对其相关特性的数据。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法,其在氟晶云母衬底上外延高质量γ-In2Se3纳米结构材料的化学气相沉积的制备方法及纳米片相关性质的表征。该纳米片是高质量的单晶纳米结构，具有良好的发光特性，不透明，颜色呈浅黄色。
本发明的技术方案是：一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法,其步骤包括:
步骤1:将氟晶云母用酒精，丙酮，水超声洗去表面的污渍,作为衬底备用；
步骤2:将装有源粉末α相硒化铟粉末的石英舟放置在管式炉内石英管的中间，之后将放有氟晶云母衬底的石英舟放置在管式炉气流出口距离源粉末α相硒化铟粉末5-7cm的位置处；
步骤3：将石英管抽真空并通入高纯氩气，使气流量和压强分别保持在20±1sccm范围内和46±2Pa范围内，保持半小时；由气体流量计以及真空计采集数据；本步骤中保持半小时是为了让高纯氩气气流排空石英管内的空气；
步骤4：之后在1h内将石英管加热至730℃，保持石英管内气压在46±2Pa范围内，保温1.5h，之后自然降温至室温即得到带有纳米片的氟晶云母衬底；本步骤中升温时间和保温时间可根据管式炉和样品生长的实际情况增加或减小；
步骤5：之后将步骤4得到的带有纳米片的氟晶云母衬底，在高纯氩气中经过250℃的1.5h的退火即可；本步骤中要注意退火温度的控制，由于硒化铟晶格结构的相变特性，温度过高会改变样品的晶格结构。
优选的,所述步骤1中的源粉末α相硒化铟粉末质量为:3.0-4.0毫克。
优选的,所述步骤1中的氟晶云母的尺寸为1cm*1cm*500μm。
优选的,所述γ相硒化铟纳米片材料，由In、Se以化学元素形成的化合物，其中In以+3价的方式存在的；Se以-2价的方式存在的；所述的纳米片材料是单晶的。
本发明的有益效果：本发明提供了一种制备高质量外延生长γ-In2Se3纳米片的方法。该纳米片是单晶纳米片，具有绝缘性、单一光致发光峰的特性。而化学气相沉积方法是目前较为简单、易行的纳米材料制备技术。本发明利用化学气相沉积技术以及退火工艺能为γ-In2Se3纳米片的发光特性可控性提供了一种理想的手段，并且提高了γ-In2Se3纳米材料的尺寸，从而有利于进一步研发相关异质结构以及新型的光伏器件。本发明所得到的上述纳米片，是高质量的单晶纳米片，颜色为浅黄色不透明；经过测量光致发光谱可以得到该样品的发光特性为单一的带边自由激子发光，其发光峰峰位约在660nm左右及其对应的光学带隙约为1.88eV。
附图说明
图1为本发明源粉末α相硒化铟粉末与氟晶云母衬底放置位置示意图；
图2为γ-In2Se3纳米片的扫描电子显微镜图像；
图3为γ-In2Se3纳米片的电子衍射能谱；
图4为γ-In2Se3纳米片的拉曼光谱；
图5为γ-In2Se3纳米片的X射线衍射图谱；
图6为退火前后γ-In2Se3纳米片的光致发光谱。
具体实施方式
下面结合附图通过实例对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明并非局限于所举之例。
一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法,其步骤包括:
步骤1:将氟晶云母用酒精，丙酮，水超声洗去表面的污渍,作为衬底备用；
步骤2:将装有源粉末α相硒化铟粉末的石英舟放置在管式炉内石英管的中间，之后将放有氟晶云母衬底的石英舟放置在管式炉气流出口距离源粉末α相硒化铟粉末5-7cm的位置处；
步骤3：将石英管抽真空并通入高纯氩气，使气流量和压强分别保持在20±1sccm范围内和46±2Pa范围内，保持半小时；由气体流量计以及真空计采集数据；本步骤中保持半小时是为了让高纯氩气气流排空石英管内的空气；
步骤4：之后在1h内将石英管加热至730℃，保持石英管内气压在46±2Pa范围内，保温1.5h，之后自然降温至室温即得到带有纳米片的氟晶云母衬底；本步骤中升温时间和保温时间可根据管式炉和样品生长的实际情况增加或减小；
步骤5：之后将步骤4得到的带有纳米片的氟晶云母衬底，在高纯氩气中经过250℃的1.5h的退火即可；本步骤中要注意退火温度的控制，由于硒化铟晶格结构的相变特性，温度过高会改变样品的晶格结构；本步骤中退火旨在减少生长完成的纳米片晶格内部的缺陷，提高晶格质量以及光学性能，在扫描电子显微镜(SEM)、电子衍射能谱(EDS)、拉曼光谱(Raman)仪、X射线衍射光谱仪(XRD)以及光致发光光谱(PL)的表征分别得到图2，图3，图4，图5以及图6的图像和数据；其中根据SEM图像可知纳米片尺寸在5-6μm，拉曼光谱的振动模式显示特征峰位于80cm-1、150cm-1和228cm-1，其中位于150cm-1的振动峰来源于γ-In2Se3晶格的中心区域振动模式，X射线衍射光谱表明样品很好的单晶特性。由PL图谱可知，利用退火工艺，可以有效消除由缺陷导致的在860nm左右的发光峰，仅出现由带边自由激子跃迁产生的单一发光峰，峰位在660nm附近，由此可知，该纳米片的带隙大约为1.88eV。
优选的,所述步骤1中的源粉末α相硒化铟粉末质量为:3.0-4.0毫克；
优选的,所述步骤1中的氟晶云母的尺寸为1cm*1cm*500μm；
优选的,所述γ相硒化铟纳米片材料，由In、Se以化学元素形成的化合物，其中In以+3价的方式存在的；Se以-2价的方式存在的；所述的纳米片材料是单晶的。
本发明一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法，其所得到的γ-In2Se3纳米片组分均匀，形貌为正六边形，尺寸大小在5μm左右，有利于对材料进行光刻等微加工工艺，为制备光电子、光伏等器件提供更简单易行的制备工艺。同时γ-In2Se3纳米片材料制备参数易调整，设备简单，易操作，生长过程可控，工艺重复性好，具有较高的制备效率；它在光电子学领域的独特优势将为新型光伏器件的应用打下基础。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法,其特征在于，其包括以下步骤:
步骤1:将氟晶云母用酒精，丙酮，水超声洗去表面的污渍,作为衬底备用；
步骤2:将装有源粉末α相硒化铟粉末的石英舟放置在管式炉内石英管的中间，之后将放有氟晶云母衬底的石英舟放置在管式炉气流出口距离源粉末α相硒化铟粉末5-7cm的位置处；
步骤3：将石英管抽真空并通入高纯氩气，使气流量和压强分别保持在20±1sccm范围内和46±2Pa范围内，保持半小时；
步骤4：之后在1h内将石英管加热至730℃，保持石英管内气压在46±2Pa范围内，保温1.5h，之后自然降温至室温即得到带有纳米片的氟晶云母衬底；
步骤5：之后将步骤4得到的带有纳米片的氟晶云母衬底，在高纯氩气中经过250℃的1.5h的退火即可。
2.根据权利要求1所述的一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法，其特征在于，所述步骤1中的源粉末α相硒化铟粉末质量为:3.0-4.0毫克。
3.根据权利要求1所述的一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法，其特征在于，所述步骤1中的氟晶云母的尺寸为1cm*1cm*500μm。
4.根据权利要求1所述的一种γ相硒化铟纳米片的外延生长方法，其特征在于，所述γ相硒化铟纳米片材料，由In、Se以化学元素形成的化合物，其中In以+3价的方式存在的；Se以-2价的方式存在的；所述的纳米片材料是单晶的。
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