CN109695024A - 一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于异质结制备技术领域，特别是涉及一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，该方法首先以单晶硅片为衬底，利用磁控溅射技术在Si片上沉积金属Cd，制备出纳米结构Cd/Si；然后利用磁控溅射技术在纳米结构Cd/Si上沉积纳米CdS，制备纳米CdS/Cd/Si异质结。本发明简单、高效，易于调控，且重复率达到100％。
Description
技术领域
本发明属于异质结制备技术领域，特别是涉及一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法。
背景技术
纳米异质结是纳米半导体器件的重要组成部分。但是，纳米材料较高的比表面积在提高其性能的同时，也引入了大量的晶格畸变、悬挂键、表面态以及杂质等，这些缺陷导致了载流子复合能级的产生，从而导致所制备的异质结光伏器件中光生载流子的扩散长度减小、被捕获的几率增加，使光伏器件的饱和电流增大和短路电流减小，降低器件的光伏性能。因此，如何对异质结的结构进行合理的优化和改进，增加界面处光生载流子的扩散长度，降低载流子被捕获的几率，提高载流子的有效分离、传输和收集，是研制高性能光伏器件的关键。
在异质结优化方面，一部分研究者致力于在异质结的界面嵌入金属纳米晶，利用其局域等离子增强效应，也取得了显著的效果。但是其他原子(例如Au、Ag等)的引入会增加晶格的畸变，并且这些金属原子在界面的扩散，会大大降低器件的稳定性能。针对在异质结界面嵌入金属纳米晶的这种方法，基于不引入其它的原子，本团队利用硅纳米孔柱阵列的还原性，在CdS/Si异质结的界面嵌入Cd纳米晶，其光生载流子传输性能得到了较大的提高。但是，利用化学水浴法很难控制Cd纳米结构的形状、尺寸，以及异质结的微观结构、成份。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，该方法简单、高效，易于调控，且重复率达到100％。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，包含以下步骤：
步骤1，以单晶硅片为衬底，利用磁控溅射技术在Si片上沉积金属Cd，制备出纳米结构Cd/Si；
步骤2，利用磁控溅射技术在纳米结构Cd/Si上沉积纳米CdS，制备纳米CdS/Cd/Si异质结。
进一步地，所述步骤1的具体过程为：
步骤101，将清洗干净的单晶硅片放入磁控溅射室的样品支架上，对磁控溅射室抽真空到10-6Pa，然后向磁控溅射室充入氩气，保持溅射室真空度为10-1Pa-100Pa；
步骤102，调整Cd靶材和单晶硅片的距离为2.0cm-10.0cm，将样品支架加热到100℃，保持5min，使样品支架上的单晶硅片受热均匀；
步骤103，设置溅射功率10W-100W，打开Cd靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-120s，制备纳米结构Cd/Si；
步骤104，保持磁控溅射室内压强不变，自然冷却至室温，纳米结构Cd/Si制备完成。
进一步地，所述步骤2的具体过程为：
步骤201，将纳米结构Cd/Si样品旋转到CdS靶材的上方，使其与CdS靶材的距离为2.0cm-10.0cm；
步骤202，以5℃/min的升温速度，将样品支架升温到200℃，保持5min，使样品支架上的Cd/Si受热均匀；
步骤203，调整氩气的进气量，使真空度保持在10-1Pa-10Pa；设置溅射功率10W-100W，打开CdS靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-600s；
步骤204，关闭溅射电源，将CdS/Cd/Si样品自然冷却至室温，纳米CdS/Cd/Si异质结制备完成。
进一步地，所述步骤203中的溅射时间设置为300s。
进一步地，所述步骤203中的溅射时间设置为480s。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，该方法首先以单晶硅片为衬底，利用磁控溅射技术在Si片上沉积金属Cd，制备出纳米结构Cd/Si；然后利用磁控溅射技术在纳米结构Cd/Si上沉积纳米CdS，制备纳米CdS/Cd/Si异质结。本发明简单易行，样品的重复率达到100％。
2、在前期的实验中，利用硅纳米孔柱阵列的还原性在Cd2+溶液中还原Cd纳米晶，Cd纳米晶的形状和尺寸很难进行调控，并且，Cd纳米晶和CdS纳米晶同时生成，CdS纳米薄膜的厚度不容易控制。而本发明利用磁控溅射技术，Cd纳米晶和CdS薄膜的结构和尺寸易于调控，通过改变溅射功率和溅射时间，对Cd和CdS的结构和尺寸进行调控。
3、化学水浴法对实验的条件要求非常苛刻，外部条件的微小改变对CdS薄膜的质量影响很大，但是本发明的方法易于控制Cd和CdS的尺寸，从而能有效控制纳米CdS/Cd/Si异质结的微观结构和各组分的比例。
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，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他的附图。
图1是本发明实施例界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例纳米结构Cd/Si的SEM图谱；
图3是本发明实施例纳米结构Cd/Si的XRD图谱；
图4是本发明实施例二纳米CdS/Cd/Si异质结的SEM图谱；
图5是本发明实施例二纳米CdS/Cd/Si异质结的XRD图谱；
图6是本发明实施例三纳米CdS/Cd/Si异质结的SEM图谱；
图7是本发明实施例三纳米CdS/Cd/Si异质结的XRD图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的核心是提供一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，该方法简单、高效、易于调控。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示，一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，该方法首先以单晶硅片为衬底，利用磁控溅射技术在Si片上沉积金属Cd，制备出纳米结构Cd/Si；然后利用磁控溅射技术在纳米结构Cd/Si上沉积纳米CdS，制备纳米CdS/Cd/Si异质结；具体包含以下步骤：
步骤S101，将清洗干净的单晶硅片放入磁控溅射室的样品支架上，对磁控溅射室抽真空到10-6Pa，然后向磁控溅射室充入氩气，保持溅射室真空度为10-1Pa-100Pa；
步骤S102，调整Cd靶材和单晶硅片的距离为2.0cm-10.0cm，将样品支架加热到100℃，保持5min，使样品支架上的单晶硅片受热均匀；
步骤S103，设置溅射功率10W-100W，打开Cd靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-120s，制备纳米结构Cd/Si；
步骤S104，保持磁控溅射室内压强不变，自然冷却至室温，纳米结构Cd/Si制备完成，其形貌特征如图2所示，成分如图3所示；
步骤S105，将纳米结构Cd/Si样品旋转到CdS靶材的上方，使其与CdS靶材的距离为2.0cm-10.0cm；
步骤S106，以5℃/min的升温速度，将样品支架升温到200℃，保持5min，使样品支架上的Cd/Si受热均匀；
步骤S107，调整氩气的进气量，使真空度保持在10-1Pa-10Pa；设置溅射功率10W-100W，打开CdS靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-600s；
步骤S108，关闭溅射电源，将CdS/Cd/Si样品自然冷却至室温，纳米CdS/Cd/Si异质结制备完成。
实施例二
一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，包含以下步骤：
步骤S201，将单晶硅片放入磁控溅射室的样品支架上，对磁控溅射室抽真空到10- 6Pa，然后，充入氩气到溅射室压强5.0Pa；
步骤S202，调整Cd靶材和单晶硅片的距离为5.0cm，把Si片加热至100℃，保持5min，用50W溅射功率溅射60s，制备纳米结构Cd/Si；然后使其自然冷却至室温，其形貌特征如图2所示，成份如图3所示；
步骤S203，将Cd/Si加热至200℃，保证溅射室内压强为5.0Pa，调整溅射功率为80W，溅射时间300s，制备纳米CdS/Cd/Si异质结，然后，自然冷却至室温，其形貌特征如图4所示，成份如图5所示。
实施例三
一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，包含以下步骤：
步骤S301，将单晶硅片放入磁控溅射室的样品支架上，对磁控溅射室抽真空到10- 6Pa，然后，充入氩气到溅射室压强5.0Pa；
步骤S302，调整Cd靶材和单晶硅片的距离为5.0cm，把Si片加热至100℃，保持5min，用50W溅射功率溅射60s，制备纳米结构Cd/Si；然后使其自然冷却至室温，其形貌特征如图2所示，成份如图3所示；
步骤S303，将Cd/Si加热至200℃，保证溅射室内压强为5.0Pa，调整溅射功率为80W，溅射时间480s，制备纳米CdS/Cd/Si异质结，然后，自然冷却至室温，其形貌特征如图6所示，成份如图7所示。
对比实施例二和实施例三，改变溅射时间，发现CdS纳米晶聚集颗粒的尺寸逐渐增大；同时，(002)峰的强度和(101)峰的强度的比值逐渐增大，说明随溅射时间增长，CdS薄膜的取向性更好。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，以单晶硅片为衬底，利用磁控溅射技术在Si片上沉积金属Cd，制备出纳米结构Cd/Si；
步骤2，利用磁控溅射技术在纳米结构Cd/Si上沉积纳米CdS，制备纳米CdS/Cd/Si异质结。
2.根据权利要求1所述的界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：
步骤101，将清洗干净的单晶硅片放入磁控溅射室的样品支架上，对磁控溅射室抽真空到10-6Pa，然后向磁控溅射室充入氩气，保持溅射室真空度为10-1Pa-100Pa；
步骤102，调整Cd靶材和单晶硅片的距离为2.0cm-10.0cm，将样品支架加热到100℃，保持5min，使样品支架上的单晶硅片受热均匀；
步骤103，设置溅射功率10W-100W，打开Cd靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-120s，制备纳米结构Cd/Si；
步骤104，保持磁控溅射室内压强不变，自然冷却至室温，纳米结构Cd/Si制备完成。
3.根据权利要求1所述的界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤201，将纳米结构Cd/Si样品旋转到CdS靶材的上方，使其与CdS靶材的距离为2.0cm-10.0cm；
步骤202，以5℃/min的升温速度，将样品支架升温到200℃，保持5min，使样品支架上的Cd/Si受热均匀；
步骤203，调整氩气的进气量，使真空度保持在10-1Pa-10Pa；设置溅射功率10W-100W，打开CdS靶材的挡板，开始溅射，溅射时间30s-600s；
步骤204，关闭溅射电源，将CdS/Cd/Si样品自然冷却至室温，纳米CdS/Cd/Si异质结制备完成。
4.根据权利要求3所述的界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤203中的溅射时间设置为300s。
5.根据权利要求3所述的界面Cd嵌入CdS/Si异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤203中的溅射时间设置为480s。
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| CN109695024B (zh) | 2021-02-09 |
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