CN110428923A - 采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法 - Google Patents
采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法，本发明属于微能源领域，它为了解决现有同位素电池的短路电流、开路电压以及能量转换效率较低的问题。本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极形成叠层结构。本发明在本征金刚石层和肖特基电极之间插入一层氧化锌层，此氧化锌层能够阻挡空穴、同时传输电子，从而起到了减少电子空穴对复合的作用，进而提升能量转换效率。
Description
技术领域
本发明属于微能源领域，具体涉及含有氧化锌层的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。
背景技术
微机电系统是一种尺寸在毫米级或者微米级的高度集成化智能系统。其具有尺寸小、功耗低、性能稳定等优点。微机电系统属于当代多学科交叉研究的重点领域，将是未来国防军事及国民经济领域新的增长点。微机电系统的小型化，低功耗的特点意味着其供电系统应具有尺寸小，且能够长时间稳定供电的特点。基于同位素辐射福特效应的同位素电池以其长时间稳定供电无需更换、能量密度高、易于小型化、能够适用于各种极端环境等优点，成为微机电系统的优良的能源提供者。
基于辐射伏特效应的同位素电池现在已经成功的运用到心脏起搏器中。这些电池一般是用硅基材料制作的半导体器件作为换能结构。随着半导体禁带宽度的增加，同位素电池最大理论转换效率也随之增加。因此，宽禁带半导体相对于硅等窄禁带半导体来说具有一定的优势。金刚石具有5.5eV的禁带宽度，比常见的宽禁带半导体如氮化镓，氧化锌等都要宽。同时金刚石的具有良好的抗辐射特性，其成功用于各种高能辐射探测器中。因此，金刚石是同位素电池半导体材料的良好候选者。
现在的金刚石同位素电池主要是基于金刚石肖特基器件。其开路电压和短路电流都与理论值相差较远，因此能量转换效率也相对较低，限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有同位素电池的短路电流、开路电压以及能量转换效率较低的问题，而提供一种采用氧化锌层改进的金刚石肖特基同位素电池及其制备方法。
本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源、电池肖特基电极、氧化锌层、本征金刚石层、掺硼p型金刚石层和电池欧姆电极形成叠层结构。
本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实现：
一、在掺硼p型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射欧姆电极；
四、在步骤三所得的金刚石基底的本征金刚石层上磁控溅射氧化锌层；
五、在步骤四所得的金刚石基底的氧化锌层上面通过磁控溅射肖特基金属电极层，即得到包含氧化锌层的金刚石肖特基换能单元；
六、在金刚石肖特基换能单元肖特基电极上加载同位素241Am放射源，得到氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池。
本发明利用宽禁带，高抗辐射强度的半导体金刚石作为换能单元，并且在本征金刚石层和肖特基电极之间插入一层氧化锌层，此氧化锌层能够阻挡空穴、同时传输电子，从而起到了减少电子空穴对复合的作用，进而提升能量转换效率；此外氧化锌层的存在，还避免了由于本征金刚石表面氧终端氧化不均与造成的势垒分布不均，导致的开路电压低的问题，进而提升了开路电压。
附图说明
图1是本发明采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的结构示意图；
图2是实施例中包含氧化锌层与不包含氧化锌层的同位素电池电流电压曲线图，其中▼代表有氧化锌层，●代表无氧化锌层；
图3是实施例中包含氧化锌层与不包含氧化锌层的同位素输出功率随电压变化曲线图，其中■代表有氧化锌层，●代表无氧化锌层。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源1、电池肖特基电极2、氧化锌层3、本征金刚石层4、掺硼p型金刚石层5和电池欧姆电极6，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源1、电池肖特基电极2、氧化锌层3、本征金刚石层4、掺硼p型金刚石层5和电池欧姆电极6形成叠层结构。
本实施方式金刚石肖特基同位素电池中所述的p型金刚石层为硼掺杂的高温高压p型金刚石，所述的本征金刚石层为化学气相沉积方法(CVD)生长的金刚石层，所述的电池欧姆电极为钛/金或钛/铂/金叠层金属电极，所述的氧化锌层为由磁控溅射制备的5～20nm氧化锌层。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的放射源1为241Am。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的电池肖特基电极2为金、铂或钼。
具体实施方式四：本实施方式采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实施：
一、在掺硼p型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射欧姆电极；
四、在步骤三所得的金刚石基底的本征金刚石层上磁控溅射氧化锌层；
五、在步骤四所得的金刚石基底的氧化锌层上面通过磁控溅射肖特基金属电极层，即得到包含氧化锌层的金刚石肖特基换能单元；
六、在金刚石肖特基换能单元肖特基电极上加载同位素241Am放射源，得到氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层的沉积过程是在工作温度为750～900℃，工作气压为100～230mBar条件下，控制甲烷与氢气流量比为4～2：96～98，以微波功率为2400～3500W进行本征金刚石层生长，生长完本征金刚石层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为10～20sccm，气压为10～20mBar，处理5～10分钟。
本实施方式生长完本征金刚石层后打开氧气阀门，是为了去除金刚石表面沉积的非晶碳。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述的本征金刚石层的厚度为3～15μm。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二所述的浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液是质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为65％～68％的HNO3按体积比为1：1混合。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是步骤三在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射钛/金欧姆电极，然后在4×10-4Pa～8×10-4Pa的真空度下进行真空退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间为10～15min。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤四中采用氧化锌靶，气氛为氩气，控制溅射气压为0.5～2Pa，溅射温度为室温，溅射时间为30～180s。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是肖特基金属电极层的溅射厚度为10～15nm。
实施例：本实施例采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法按以下步骤实施：
一、在掺硼p型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，微波等离子体化学气相沉积法的沉积参数为：在工作温度为800℃，工作气压为140mBar，甲烷与氢气流量比为3：97，微波功率为2700W，生长时间为2小时，生长完本征金刚石(外延)层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为20sccm，气压10mBar，处理5分钟，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液(体积比为1：1)中，加热至煮沸处理1小时，以进一步去除金刚石表面非晶碳等杂质并且形成氧终端表面，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗30分钟，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在掺硼p型衬底表面依次溅射钛/金欧姆电极，在真空度为4×10-4Pa中进行真空退火，退火温度为450℃，退火时间为10min；
四、在步骤三所得到的结构本征金刚石层上面通过磁控溅射制作一层ZnO薄膜(12nm)，所用的靶材为高纯氧化锌靶，气氛为氩气，溅射气压为1Pa，溅射温度为室温，溅射时间为60s；
五、在步骤四所得到的结构氧化锌层通过磁控溅射，溅射厚度为10nm的金肖特基电极，形成换能单元；
六、在换能单元的肖特基电极上加载电镀放射源，得到金刚石肖特基同位素电池。
图2给出了本实施例制备得到的包含氧化锌层的金刚石肖特基同位素电池与不包含氧化锌层的同位素电池的电流-电压曲线之间的对比，从图中可以看出，增加了氧化锌层后，在其他条件不变的情况下，电池的开路电压由1.04V变为1.44V，短路电流由3.51nA/cm2变为5.12nA/cm2。从图3可以看出，最大可输出功率密度由1.96nW/cm2提升到了3.73W/cm2，提升了90％，电极有效面积为1.06mm2，最大输出功率达39.5pW。
实验结果表明，本实施例的包含氧化锌层的金刚石肖特基同位素电池开路电压达到1.44V，并且短路电流和输出功率均较不包含氧化锌层的有较大提升。
Claims (10)
1.采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池，其特征在于该采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池包括放射源(1)、电池肖特基电极(2)、氧化锌层(3)、本征金刚石层(4)、掺硼p型金刚石层(5)和电池欧姆电极(6)，该金刚石肖特基同位素电池从上至下依次由放射源(1)、电池肖特基电极(2)、氧化锌层(3)、本征金刚石层(4)、掺硼p型金刚石层(5)和电池欧姆电极(6)形成叠层结构。
2.根据权利要求1所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池，其特征在于所述的放射源(1)为241Am。
3.根据权利要求1所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池，其特征在于所述的电池肖特基电极(2)为金、铂或钼。
4.采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤实现：
一、在掺硼p型金刚石基底层上，利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层，得到生长有本征金刚石层的金刚石基底；
二、将步骤一得到的生长有本征金刚石层的金刚石基底置于浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液中，加热至煮沸处理0.5～1小时，然后依次置于丙酮、去离子水和无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底；
三、将清洗后的生长有本征金刚石层的金刚石基底放置到磁控溅射装置中，在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射欧姆电极；
四、在步骤三所得的金刚石基底的本征金刚石层上磁控溅射氧化锌层；
五、在步骤四所得的金刚石基底的氧化锌层上面通过磁控溅射肖特基金属电极层，即得到包含氧化锌层的金刚石肖特基换能单元；
六、在金刚石肖特基换能单元肖特基电极上加载同位素241Am放射源，得到氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池。
5.根据权利要求4所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤一利用微波等离子体化学气相沉积法外延生长本征金刚石层的沉积过程是在工作温度为750～900℃，工作气压为100～230mBar条件下，控制甲烷与氢气流量比为4～2：96～98，以微波功率为2400～3500W进行本征金刚石层生长，生长完本征金刚石层后，打开微波等离子体化学气相沉积的氧气阀门，设定氧气流量为10～20sccm，气压为10～20mBar，处理5～10分钟。
6.根据权利要求5所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于所述的本征金刚石层的厚度为3～15μm。
7.根据权利要求4所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤二所述的浓H2SO4和浓HNO3的混合溶液是质量浓度为98％的H2SO4和质量浓度为65％～68％的HNO3按体积比为1：1混合。
8.根据权利要求4所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤三在掺硼p型金刚石衬底一侧溅射钛/金欧姆电极，然后在4×10-4Pa～8×10-4Pa的真空度下进行真空退火处理，退火温度为400～500℃，退火时间为10～15min。
9.根据权利要求4所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于步骤四中采用氧化锌靶，气氛为氩气，控制溅射气压为0.5～2Pa，溅射温度为室温，溅射时间为30～180s。
10.根据权利要求4所述的采用氧化锌层改善性能的金刚石肖特基同位素电池的制备方法，其特征在于肖特基金属电极层的溅射厚度为10～15nm。
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