CN114188063A - 基于纳米管阵列的肖特基结及其制备方法和β核电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于纳米管阵列的肖特基结及其制备方法和β核电池，肖特基结的制备方法包括以下步骤：S1、制备TiO2纳米管阵列：将钛片进行预处理，然后依次经过第一次阳极氧化、第二次阳极氧化和退火处理，获得TiO2纳米管阵列；阳极氧化以钛片作为阳极，铂片作为阴极，采用的电解液包括氟化铵、乙二醇和水；S2、采用ALD法在步骤S1制备TiO2纳米管阵列表面沉积β辐射源层。本发明解决了现有肖特基结的辐射源利用率较低，且制备成的β电池能量转换效率较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体涉及基于纳米管阵列的肖特基结及其制备方法和β核电池。
背景技术
随着集成电路(IC)系统和微机电系统(MEMS)的快速发展，电子器件的体积越来越小，促使供电器件趋于微型化。同时，供电器件还应该满足功率密度大、使用寿命长、可靠性高等要求。使用β辐射同位素制备的β伏特电池具有使用寿命长、能量密度高、不受外界环境影响、工作性能稳定等特点，是微电源的理想选择。
且与PN结相对比，肖特基结增大了载流子的扩散长度，减少电子空穴对的复合，有助于电子-空穴对的分离和收集，从而提高核电池的电学性能。且其抗辐射能力强，制备出的电池输出更稳定。
现有肖特基结是将辐射源如63Ni制作成薄膜置于换能器件表面，其辐射入射深度有限，对辐射源的利用率较低，并且，宽带隙半导体如SiC(2.3-3.3eV),GaN(3.4eV)被认为是提升β核电池效率和器件可靠性的理想选择，所以现有的换能器件多数都是采用GaN、SiC作为半导体材料，但目前基于SiC和GaN的β电池能量转换效率仍低于5％，限制了其在实际中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供基于纳米管阵列的肖特基结及其制备方法，解决现有肖特基结的辐射源利用率较低，且制备成的β电池能量转换效率较低的问题。
此外，本发明还提供由上述肖特基结制备的β核电池。
本发明通过下述技术方案实现：
基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备TiO2纳米管阵列：将钛片进行预处理，然后依次经过第一次阳极氧化、第二次阳极氧化和退火处理，获得TiO2纳米管阵列；阳极氧化以钛片作为阳极，铂片作为阴极，采用的电解液包括氟化铵、乙二醇和水；
S2、采用ALD法在步骤S1制备TiO2纳米管阵列表面沉积β辐射源层。
直接将钛片制备TiO2纳米管阵列，生成双端TiO2纳米管阵列，若将一侧Ti片的一面粘贴与Ti片尺寸相同的耐腐蚀特氟龙四氟胶带则可防止TiO2在Ti片两端生长即得到单端纳米管阵列。
本发明可通过控制阳极氧化参数来控制TiO2纳米管阵列的孔径大小和间距以实现表面积最大化。
本发明采用TiO2纳米管阵列作为肖特基结的骨架，即采用TiO2作为肖特基结的半导体材料。
本发明所述辐射源层所采用的辐射源包括63Ni、90Sr或90Y。
首先，TiO2宽禁带半导体材料具有材料禁带宽度大、热导率高、电子漂移饱和速度大、介电常数小的优点，适于制作耐辐射、高功率及高集成度的电子器件。
其次，相比其他结构，纳米管阵列为高纵横比的纳米多孔结构，具有比表面积大的优势，有利于更多β粒子入射。因此，使用宽带隙半导体的一维纳米管阵列结构有望进一步提升β核电池的能量转换性能。
再次，本发明是通过原子层沉积技术(ALD)在三维TiO2纳米管阵列表面沉积辐射源，一方面增大辐射源与换能器件的接触面积，另一方面直接利用辐射源作为换能肖特基结的金属材料，简化电池结构，易于器件的加工。且ALD方法基于其独特的自限制生长机理，使得该方法具有成膜均匀性及保形性好、薄膜组成及原子层级别厚度可控等优势。
综上，本发明解决了现有肖特基结的辐射源利用率较低，且制备成的β电池能量转换效率较低的问题。
进一步地，步骤S1中，预处理为对钛片进行去除氧化层处理，处理的手段包括机械抛光和清洗。
进一步地，机械抛光为先采用砂纸打磨，再采用金刚石磨砂膏，配合羊毛轮和丝绒布进行更精细的打磨。
进一步地，步骤S1中，第一次阳极氧化的具体过程如下：
按5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V和60V，每个升压阶段保持20秒进行阶段升压，最终升压到60V，保持50min。
进一步地，步骤S1中，第二次阳极氧化的具体过程如下：按5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V和60V，每个升压阶段保持20秒进行阶段升压，最终升压到60V，保持25min。
进一步地，步骤S1中，退火过程为：
将样品在Ar气氛中进行退火处理，Ar流量为150mL/min，升温速率为5℃/min，升温到450℃，保持3h，设置降温速率为5℃/min。
进一步地，步骤S3中，先将辐射源前驱体蒸汽以脉冲的形式吹入腔室，使辐射源前驱体蒸汽吸附在纳米管内壁和外表面，再吹扫气吹走多余的前驱体，然后通入还原性气体，还原吸附在纳米管内壁和外表面的辐射源前驱体，完成一次循环，通过控制循环次数控制辐射源层的厚度。
所述还原性气体为N2或H2。
进一步地，完成所有循环后，腔室在N2气氛中冷却至室温，然后取出样品，使样品在5％的H2和95％的Ar中400℃退火30min。
一种肖特基结，包括TiO2纳米管阵列，所述TiO2纳米管阵列的表面沉积有β辐射源层。
一种三维肖特基结β核电池，包括上述肖特基结，还包括分别从TiO2纳米管阵列端和β辐射源层端引出的两个电极。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用TiO2纳米管阵列作为肖特基结的骨架，能够制作耐辐射、高功率及高集成度的电子器件，能够进一步提升β核电池的能量转换性能。
2、本发明能增大辐射源与换能器件的接触面积，提高换能器件对辐射源的利用率较低。
3、本发明辐射源还具有作为肖特基结金属端的作用，利于简化电池结构，更利于实现MEMS器件的微型化。
4、本发明的绝缘层和辐射源层均可通过控制循环次数控制厚度，因此，利用本发明得到的TiO2基三维肖特基结β核电池，易于寻找最优辐射源厚度，有效避免对辐射源的浪费。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明二氧化钛纳米管阵列制备流程图；
图2为基于TiO2纳米管阵列的三维肖特基制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例以63Ni作为辐射源进行说明，具体如下：
如图1-图2所示，基于纳米管阵列的肖特基结β核电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、用电化学阳极氧化法生长TiO2纳米管阵列：首先对钛片(厚度200μm)进行机械抛光，除去钛片表面的氧化层。砂纸按照目数500目、800目、1000目、1200目、1500目、2000目，从小到大依次替换，对钛片表面进行初步的打磨。砂纸打磨完成后，换用金刚石磨砂膏，配合羊毛轮和丝绒布进行更精细的打磨。金刚石磨砂膏按照型号W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5，从大到小进行打磨。打磨完成后，用乙醇、去离子水清洗干净，烘干后裁成宽1.5cm，长2cm的小片，压平后进行阳极氧化反应。电解液包含194mL的乙二醇，1.116g氟化铵，6mL的去离子水。钛片做阳极，铂片做阴极，电极间距为1cm。按5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V、60V，每个升压阶段保持20秒进行阶段升压，最终升压到60V，保持50min，进行第一次阳极氧化。经过乙醇超声清洗后再进行第二次阳极氧化反应，反应升压条件不变，反应时间缩短为25min。用乙醇清洗钛片，烘干待用。最后对样品在Ar气氛中进行退火处理。Ar流量为150mL/min，升温速率为5℃/min，升温到450℃，保持3h，设置降温速率为5℃/min；
S2、采用ALD法在步骤S1制备TiO2纳米管阵列表面沉积β辐射源层：在TiO2纳米管阵列表面通过ALD法沉积厚度约为50nm的63Ni辐射源。选用63Ni(EtCp)2和N2/H2作为前驱体，腔室温度设为360℃，首先以160℃的温度将63Ni(EtCp)2蒸气以脉冲的形式吹入腔室，并被吸附在纳米管内壁，以N2为吹扫气吹走多余的前驱体，之后通入N2/H2，还原吸附在纳米线表面的63Ni(EtCp)2前驱体。进行35次ALD循环。制备完成后，在80sccm的N2气氛中冷却至室温，然后打开腔室取出所制备样品。之后在5％的H2和95％的Ar中400℃退火30min，分别从TiO2、63Ni端引出电极，即可得到TiO2基三维肖特基结β核电池。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备TiO2纳米管阵列：将钛片进行预处理，然后依次经过第一次阳极氧化、第二次阳极氧化和退火处理，获得TiO2纳米管阵列；阳极氧化以钛片作为阳极，铂片作为阴极，采用的电解液包括氟化铵、乙二醇和水；
S2、采用ALD法在步骤S1制备TiO2纳米管阵列表面沉积β辐射源层。
2.根据权利要求1所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，步骤S1中，预处理为对钛片进行去除氧化层处理，处理的手段包括机械抛光和清洗。
3.根据权利要求2所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，机械抛光为先采用砂纸打磨，再采用金刚石磨砂膏，配合羊毛轮和丝绒布进行更精细的打磨。
4.根据权利要求1所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，步骤S1中，第一次阳极氧化的具体过程如下：
按5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V和60V，每个升压阶段保持20秒进行阶段升压，最终升压到60V，保持50min。
5.根据权利要求1所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，步骤S1中，第二次阳极氧化的具体过程如下：按5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V和60V，每个升压阶段保持20秒进行阶段升压，最终升压到60V，保持25min。
6.根据权利要求1所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，步骤S1中，退火过程为：
将样品在Ar气氛中进行退火处理，Ar流量为150mL/min，升温速率为5℃/min，升温到450℃，保持3h，设置降温速率为5℃/min。
7.根据权利要求1所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，步骤S3中，先将辐射源前驱体蒸汽以脉冲的形式吹入腔室，使辐射源前驱体蒸汽吸附在纳米管内壁和外表面，再吹扫气吹走多余的前驱体，然后通入还原性气体，还原吸附在纳米管内壁和外表面的辐射源前驱体，完成一次循环，通过控制循环次数控制辐射源层的厚度。
8.根据权利要求7所述的基于纳米管阵列的肖特基结的制备方法，其特征在于，完成所有循环后，腔室在N2气氛中冷却至室温，然后取出样品，使样品在5％的H2和95％的Ar中400℃退火30min。
9.采用权利要求1-8任一项所述制备方法制备的肖特基结，其特征在于，所述肖特基结包括TiO2纳米管阵列，所述TiO2纳米管阵列的表面沉积有β辐射源层。
10.一种三维肖特基结β核电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的肖特基结，还包括分别从TiO2纳米管阵列端和β辐射源层端引出的两个电极。
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