CN109371376B - 一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法 - Google Patents

一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明供了一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，涉及半导体光电子材料制备技术领域，能够实现对NiO薄膜晶体取向的控制，制备出单一晶体取向的NiO薄膜；该方法采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜，其特征在于，在溅射过程中调节溅射气氛、溅射功率、气氛压强、气体流量、基底温度和/或退火温度来实现单一晶体取向的NiO薄膜的制备。本发明供的技术方案适用于单一晶体取向的NiO薄膜的制备过程中。

Description

一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料制备技术领域，尤其涉及一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法。
背景技术
晶体具有各向异性，通过调控薄膜的晶体取向，进而可以实现对薄膜表面原子、能带结构排列、配位、表面能、结构缺陷的调控。Xiaolin Zheng团队证明了BiVO4的[001]生长方向表现出良好的内在电荷传输特性和表面反应性([1] HS Han, S Shin, DH Kim,etal. Energy & Environmental Science, 2018, 11, 1299-1306) ；Wei Lin Leong证明高度取向生长的钙钛矿材料可用于制备高效稳定的太阳能电池([2] T Ye, A Bruno, GHan, Advanced Functional Materials, 2018, 1801654)。
NiO作为透明的p型宽禁带半导体材料，禁带宽度约为3.6-4.0 eV，具有优良的电学、光学性能以及较好的化学稳定性。在NiO薄膜的制备过程中，现有的制备方法大多不能对其进行很好的过程控制，致使制备的NiO薄膜的性能不能达到使用标准。调控NiO薄膜的晶体取向，进而实现对NiO薄膜表面原子、能带结构排列、配位、表面能、结构缺陷的调控，是控制NiO薄膜性能的关键因素。
发明内容
有鉴于此，本发明供了一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，能够实现对NiO薄膜晶体取向的控制，制备出单一晶体取向的NiO薄膜。
一方面，本发明供一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜，其特征在于，通过调节溅射过程中的溅射气氛、溅射功率、气氛压强、气体流量、基底温度和/或退火温度来实现单一晶体取向的NiO薄膜的制备。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述溅射气氛为氩气或氩氧组合气。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述氩氧组合气中氩气和氧气的体积比为1:10-1:100。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气氛压强为0-10pa，所述溅射功率为40-100W。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体流量为300-1000ml/min。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基底温度为30-550℃时，无需退火。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基底温度为0-30℃时，所述退火温度为200-550℃。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在进行溅射之前还包括步骤：
S1、将NiO靶材安装在磁控溅射镀膜系统中；
S2、将清洗好的基底放入磁控溅射真空室；
S3、对真空室进行抽真空操作，并充入溅射气氛。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，采用乙醇对所述玻璃衬底进行清洗。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述NiO靶材为纯相均一的NiO靶材。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：能够实现对NiO薄膜晶体取向的控制，制备出单一晶体取向的NiO薄膜；制备的NiO薄膜生长速率快、与基片的附着力更强，薄膜纯度高，致密性和成膜均匀性更好，溅射工艺可重复性高。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的晶体取向调控前NiO的X射线衍射图；
图2是本发明一个实施例提供的晶体取向调控后不同晶体取向的NiO薄膜的X射线衍射图；
图3是本发明一个实施例提供的<111>晶体取向NiO的X射线衍射图；
图4是本发明一个实施例提供的<110>晶体取向NiO的X射线衍射图；
图5是本发明一个实施例提供的<100>晶体取向NiO的X射线衍射图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
调控NiO薄膜的晶体取向，使得NiO薄膜表面原子整齐排列，结构缺陷减少，能带结构更匹配，因此具有更优良的表面反应性和电荷传输特性，可获得更高的光电转换效率。本发明用磁控溅射方法制备NiO薄膜，通过调节溅射过程中的溅射气氛、基底温度、退火温度等参数，成功制备出<111>、<110>、<100>三种单一晶体取向的NiO薄膜。该单一晶体取向的NiO薄膜可以被广泛应用于催化领域、太阳能电池领域、光探测器领域等。
磁控溅射原理：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。本发明选用市面上常用的磁控溅射镀膜机进行NiO薄膜的制备。
一种单一晶体取向NiO薄膜的可控制备方法，采用磁控溅射的方法，通过调节溅射气氛、基底温度、退火温度等参数，实现了对NiO薄膜晶体取向的控制。其具体制备步骤如下：
S1、首先将纯相均一NiO靶材安装在已调整好的磁控溅射镀膜系统中；并将玻璃基底通过传统基片清洗工艺洗涤（乙醇超声10-60min），氮气吹干备用；
本步骤中所使用的NiO靶材的化学组分为NiO，纯度>99％，相对密度93-98％。
S2、然后将清洗好的玻璃衬底放入磁控溅射真空室；
S3、用机械泵和分子泵将真空室抽真空后，向镀膜腔内充入气氛；
S4、最后在玻璃基底上通过磁控溅射的方法沉积NiO薄膜；具体的，开启射频电源将靶材表层原子溅射到衬底表面，退火后得到NiO薄膜。磁控溅射沉积时间为0-120min，磁控溅射时真空室的气氛压强为0-10Pa，磁控溅射的功率为40-100W，磁控溅射气氛的气体流量为300-1000ml/min；溅射过程中基底温度为0-550℃，其中基底温度为30-550℃，无需退火步骤，基底温度为0-30℃时，需要退火步骤且退火温度为200-550℃。
在溅射过程中调节溅射气氛为氩气/氩氧组合气体，氩氧组合气体的氩气和氧气比例为1:10-1:100，气体流量为300-1000ml/min，气氛压强为0Pa-10Pa，溅射功率为40-100W，基底温度为0-30℃，退火温度为200-550℃，或者基底温度为30-550℃且不进行退火，成功制备出<111>、<110>、<100>三种单一晶体取向的NiO薄膜。
使用本发明的方法制备的NiO薄膜具有薄膜与基片附着力强、溅射所获得的薄膜纯度高、致密性和成膜均匀性好、参数易调整，生长速率快、溅射工艺可重复性高等有益效果。通过此方法制备的NiO薄膜可以应用在各类平面显示器、太阳能电池、发光二极管、紫外光探测器中。图2是本发明提供的晶体取向调控后不同晶体取向的NiO薄膜的X射线衍射图。
实例1：<111>晶体取向的NiO薄膜的制备方法：
将玻璃基底清洗干净，浸泡于乙醇中20min，氮气吹干。采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜。溅射时间为30-90min，气氛压强为0-10pa，溅射功率为40-100W，氩气气体流量为300-1000ml/min，基底温度为30-550℃。此实例中由于制备过程中基底加热，所以无需进行退火。对薄膜进行X射线衍射，结果如图3所示。
实例2：<110>晶体取向的NiO薄膜的制备方法
将玻璃基底清洗干净，浸泡于乙醇中20min，氮气吹干。采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜。溅射时间为30-90min，气氛压强为0-10pa，溅射功率为40-100W，氩气气体流量为300-1000ml/min，基底温度为0-30℃，退火温度为200-550℃。对薄膜进行X射线衍射，结果如图4所示。
实例3：<100>晶体取向的NiO薄膜的制备方法
将玻璃基底清洗干净，浸泡于乙醇中20min，氮气吹干。采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜。溅射时间为30-90min，气氛压强为0-10pa，溅射功率为40-100W，气氛选用氩气、氧气的混合气，混合气中氩气和氧气体积比为1:10-1:100，气体流量为300-1000ml/min，基底温度为0-30℃，退火温度为200-550℃。对薄膜进行X射线衍射，结果如图5所示。
图1是晶体取向调控前NiO的X射线衍射图，从图中可以看出制备的NiO薄膜具有三个不同晶体取向的峰，通过改变磁控溅射的溅射气氛、气体流量、气氛压强、溅射功率、基底温度、退火温度等参数，成功制备出图3-5的<111>、<110>、<100>三种单一晶体取向的NiO薄膜，使得NiO薄膜表面原子整齐排列，结构缺陷减少，能带结构更匹配，因此具有更优良的表面反应性和电荷传输特性，可获得更高的光电转换效率。
以上对本申请实施例所提供的一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (2)

1.一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜，其特征在于，所述单一晶体取向为<100>晶体取向；通过调节溅射过程中的溅射气氛、溅射功率、气氛压强、气体流量、基底温度和退火温度来实现单一晶体取向的NiO薄膜的制备；
所述溅射气氛为氩氧组合气；
所述氩氧组合气中氩气和氧气的体积比为1:10-1:100；
所述气氛压强为0-10pa，所述溅射功率为40-100W；溅射时间为30-90min；
所述气体流量为300-1000ml/min；基底温度为0-30℃，退火温度为200-550℃；
在进行溅射之前还包括步骤：
S1、将NiO靶材安装在磁控溅射镀膜系统中；
S2、将清洗好的基底放入磁控溅射真空室；
S3、对真空室进行抽真空操作，并充入溅射气氛；
采用乙醇对所述基底进行清洗；
所述NiO靶材为纯相均一的NiO靶材。
2.一种单一晶体取向的NiO薄膜的可控制备方法，采用磁控溅射的方法制备NiO薄膜，其特征在于，所述单一晶体取向为<110>晶体取向；通过调节溅射过程中的溅射气氛、溅射功率、气氛压强、气体流量、基底温度和退火温度来实现单一晶体取向的NiO薄膜的制备；
所述溅射气氛为氩气；
所述气氛压强为0-10pa，所述溅射功率为40-100W；溅射时间为30-90min；
所述气体流量为300-1000ml/min；基底温度为0-30℃，退火温度为200-550℃；
在进行溅射之前还包括步骤：
S1、将NiO靶材安装在磁控溅射镀膜系统中；
S2、将清洗好的基底放入磁控溅射真空室；
S3、对真空室进行抽真空操作，并充入溅射气氛；
采用乙醇对所述基底进行清洗；
所述NiO靶材为纯相均一的NiO靶材。
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