CN109097741A - 一种CsPbBr3薄膜的制备方法 - Google Patents

一种CsPbBr3薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种CsPbBr3薄膜的制备方法，包括如下步骤：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；将衬底温度升至90℃；采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层CsPbBr3薄膜；生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。该制备方法简单，反应温度低，反应时间短，成本低，适用于工业化生产；可以获得大面积均匀致密、结晶质量高且光电性能优异的CsPbBr3薄膜，满足其在发光材料、太阳能电池等光电器件领域中的应用。

Description

一种CsPbBr3薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种CsPbBr3薄膜的制备方法。
背景技术
近年来，一些钙钛矿结构的半导体材料，由于具有优良的光学吸收和电荷传导特性，成为目前太阳能电池领域的研究热点。相对于有机-无机杂化钙钛矿材料，全无机卤素钙钛矿材料（CsPbX3，X=Cl,Br,I）化学稳定性较高，且具有极高的荧光量子效率（高达90%）、荧光波长可调且覆盖整个可见光波段、线宽窄等特点，有望应用于新一代显示和照明技术中。此外，全无机钙钛矿材料具有极高的吸收系数，其光吸收能力比其它有机染料高10倍以上；而且它的八面体体系也有利于电子和空穴的传输，使得该材料具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命。
值得注意的是，全无机钙钛矿材料CsPbX3作为直接带隙半导体材料，除了具有较高的光吸收系数和优异的载流子传输特性外，其特殊的发光性能长期以来也一直吸引人们的关注。全无机钙钛矿材料一般具有较高的激子结合能，从而表现出强的室温光致发光特性。此外，超低的体缺陷密度也使得钙钛矿材料表现出极高的发光效率。这些优势使得全无机钙钛矿材料在发光二极管、激光器件、场效应晶体管及光电探测器件领域也表现出广阔的应用前景。
目前钙钛矿材料多采用溶液法、旋涂法等化学方法制备，制备出的材料容易出现针孔、裂纹等缺陷，难以获得高质量的钙钛矿薄膜材料。这使得钙钛矿材料在实际应用中存在稳定性差、寿命短等问题，严重影响了钙钛矿光电器件的实际应用。
发明内容
本申请通过提供一种CsPbBr3薄膜的制备方法，以解决现有技术制备出的CsPbBr3薄膜质量不高，制备方法复杂等技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
一种CsPbBr3薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；
S2：利用L-MBE程序将衬底升温至90℃，稳定十分钟，电流约为2A ；
S3：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅衬底表面生长一层CsPbBr3薄膜；
S4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。
进一步地，步骤S3中生长的CsPbBr3薄膜的沉积厚度为100nm~400nm。
进一步地，步骤S3中脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为1×10-6Pa~5×10-6Pa，衬底温度为室温~400℃，激光能量为250mJ~350mJ，激光频率为5Hz~10Hz，激光功率为1.25W~3.5W，薄膜生长速度为2Å/s ~11Å/s。
进一步地，室温为25℃~30℃。
进一步地，所述靶材为CsPbI3靶，该CsPbBr3靶是利用摩尔比为1:1的CsBr粉末和PbBr2粉末混合研磨均匀后，以40MPa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材。
进一步地，步骤S2的具体为：利用L-MBE程序将衬底升温至90℃，速率15℃/min，电流约为2A，并稳定十分钟。
进一步地，步骤S3的具体为：利用高功率脉冲激光高温刻蚀CsPbBr3靶，形成等离子羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到单晶硅衬底上成核生长，形成CsPbBr3薄膜。
进一步地，所述靶材与单晶硅衬底之间的距离为5cm。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：
1）该制备方法简单，反应温度低，反应时间短，成本低，适用于工业化生产；
2）该制备方法可以获得大面积均匀致密、结晶质量高且光电性能优异的薄膜，满足其在发光材料、太阳能电池等光电器件领域中的应用；
3）该制备方法的制备条件均处于密闭空间内，可以减少溴对环境的污染，是一种环境友好型制备方法；
4）本发明提供的制备方法，利用激光脉冲沉积技术刻蚀靶材（CsBr粉末和PbBr2粉末以摩尔比1：1进行研磨并压制），在真空条件下制备出大面积均匀的CsPbBr3薄膜材料，制备工艺与光电器件制备工艺兼容。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为依照本发明实施例制备方法制备的CsPbBr3薄膜结构的表面形貌扫描电镜图。
图3为依照本发明实施例制备方法制备的CsPbBr3薄膜结构的截面形貌扫描电镜图。
图4为依照本发明实施例制备方法制备的CsPbBr3薄膜结构的X射线衍射图。
图5为依照本发明实施例制备方法制备的CsPbBr3薄膜结构的光致发光光谱图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种CsPbBr3薄膜的制备方法，以解决现有技术制备出的CsPbBr3薄膜质量不高，制备方法复杂等技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
实施例
一种CsPbBr3薄膜的制备方法，利用激光脉冲沉积技术刻蚀CsPbBr3靶材，在真空条件下制备全无机CsPbBr3钙钛矿薄膜，即将靶材置于脉冲激光沉积系统的真空生长室中，利用高功率脉冲激光来高温刻蚀CsPbBr3靶材，形成等离子体羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到硅衬底上成核生长，形成CsPbBr3薄膜。
如图1所示，具体包括如下步骤：
S1：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；
对单晶硅基片进行标准RCA清洗，去除其表面的有机物、金属离子杂质及灰尘；
S2：将衬底升温至90℃，稳定十分钟，电流约为2A；
S3：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层CsPbBr3薄膜；其中，脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为1×10-6Pa~5×10-6Pa，衬底温度为室温~200℃（室温为25℃~30℃），激光能量为250mJ~350mJ，激光频率为5Hz~10Hz，激光功率为1.25w~3.5w，薄膜生长速度为2Å/s ~11Å/s，所述靶材为CsPbBr3靶，该CsPbI3靶是利用摩尔比为1:1的粉末和粉末混合研磨均匀后，以40MPa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材，衬底与靶之间的距离为5cm，生长的CsPbBr3薄膜的沉积厚度为100nm~400nm；
步骤S3的具体为：利用高功率脉冲激光高温刻蚀CsPbBr3靶，形成等离子羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到单晶硅衬底上成核生长，生长沉积厚度为100nm~400nm的CsPbBr3薄膜；
S4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。
下面以生长沉积薄膜厚度为300nm的CsPbBr3薄膜为例，进一步详细说明，该制备方法：
S1：对单晶硅衬底表面进行标准RCA清洗，去除表面的有机物、金属离子杂质及灰尘，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；
S2：利用L-MBE程序将衬底升温至90℃，稳定十分钟，电流约为2A；
S3：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层CsPbBr3薄膜；脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为5×10-6Pa，衬底温度为90℃，激光能量为250mJ，激光频率为5Hz，激光功率为1.26W，生长速度为5Å/s，所述靶材为CsPbBr3靶，该CsPbBr3靶是利用摩尔比为1:1的CsBr粉末和PbBr2粉末混合研磨均匀后，以40MPa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材，衬底与靶之间的距离为5cm；
S4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗，用氮气吹干。
图2和图3所示分别为利用扫描电子显微镜表征制备的CsPbBr3薄膜结构的表面形貌和截面形貌，所制备的薄膜颗粒分布均匀，尺寸大小一致。图4所示为利用X射线衍射仪表征了CsPbBr3薄膜结构的结晶质量，所制备的样品呈现单斜晶系结构。图5所示为利用325nm的激光作为激发光源分析了CsPbBr3薄膜的光致发光特性，CsPbBr3薄膜结构的光致发光光谱表现出较强的、中心波长位于507nm的带边发射。
本申请的上述实施例中，通过提供一种CsPbBr3薄膜的制备方法，包括如下步骤：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；利用L-MBE程序将衬底升温至90℃，稳定十分钟；采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层CsPbBr3薄膜；生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。该制备方法简单，反应温度低，反应时间短，成本低，适用于工业化生产；可以获得大面积均匀致密、结晶质量高且光电性能优异的CsPbBr3薄膜，满足其在发光材料、太阳能电池等光电器件领域中的应用。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种CsPbBr3薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；
S2：利用L-MBE程序将衬底升温至90℃，稳定十分钟，电流约为2A；
S3：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅衬底表面生长一层CsPbI3薄膜；
S4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。
2.根据权利要求1所述的CsPbI3薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中衬底升温的工艺条件为：升温温度范围为室温~200℃。
3.根据权利要求1所述的CsPbBr3薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中生长的CsPbI3薄膜的沉积厚度为100nm~400nm。
4.根据权利要求1所述的CsPbBr3薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为1×10-6Pa~5×10-6Pa，衬底温度为室温~400℃，激光能量为250mJ~350mJ，激光频率为5Hz~10Hz，激光功率为1.25W~3.5W，薄膜生长速度为2Å/s~11Å/s。
5.根据权利要求3所述的CsPbI3薄膜的制备方法，其特征在于，室温为25℃~30℃。
6.根据权利要求1所述的薄膜的制备方法，其特征在于，所述靶材为CsPbBr3靶，该CsPbBr3靶是利用摩尔比为1:1的CsBr粉末和PbBr2粉末混合研磨均匀后，以40MPa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的CsPbBr3薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3的具体为：利用高功率脉冲激光高温刻蚀CsPbBr3靶，形成等离子羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到单晶硅衬底上成核生长，形成CsPbBr3薄膜。
8.根据权利要求1所述的CsPbBr3薄膜的制备方法，其特征在于，所述靶材与单晶硅衬底之间的距离为5cm。
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