[发明专利]一种制备Cu2O薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及Cu₂O单晶薄膜的制备，尤其涉及一种在蓝宝石衬底上制备单晶Cu₂O薄膜的方法。

背景技术

Cu₂O是一种直接带隙氧化物半导体材料，其室温禁带宽度为2.1eV，自由激子结合能高达140meV，具有多种优越的光电性能，在透明导电薄膜、光催化、光伏器件以及电池电极材料等方面有着极为广阔的应用前景，是最早开展研究以及进行工业应用的半导体材料之一。

目前Cu₂O薄膜的制备工艺主要有热蒸发、溅射、脉冲激光沉积、化学气相沉积以及电化学沉积、在氧气环境中通过对Cu膜进行氧化从而获得Cu₂O等。但是对于薄膜生长来说，这几种制备工艺都具有相似的局限性，那就是沉积的薄膜大都是多晶，而且结晶质量普遍较差；很难对生长过程进行精密控制，无法对薄膜生长的动力学特性进行细致的研究，无法获得高质量单一组分(甚至单一相、单晶)薄膜等。因此开发高质量单一组分Cu₂O的外延生长技术具有十分重要的科研以及应用价值。对于外延生长来讲，蓝宝石具有晶体结晶质量好、热稳定性高、绝缘以及价格低廉等优点，是用来研究薄膜外延生长动力学以及薄膜光电性能等常用的理想衬底。

Cu₂O/α-Al₂O₃(0001)外延体系存在很大的挑战性，总的说来，在蓝宝石(α-Al₂O₃(0001))衬底上制备单晶Cu₂O薄膜有下述几方面困难：

1、Cu₂O外延生长过程中对铜/氧束流比要求极为苛刻，氧不足或者氧富余时会出现Cu残留或者过氧化的问题；如果利用射频辅助等离子体作为氧源，那么与常规的氧气相比，氧的活性会大大增强，因此更需要对铜/氧的束流比进行精确的控制才能避免氧化不足以及过氧化现象。

2、在α-Al₂O₃(0001)上制备Cu₂O薄膜的另外一个困难是生长过程中容易形成多晶，这是因为α-Al₂O₃(0001)表面晶格结构较为复杂，其O终止面不是标准的六角结构，不具备严格的六角对称性，与Cu₂O晶格失配较大(10.2％)，再加上由于衬底表面晶格弛豫，其最外层几乎为Al、O原子共面，无法为接下来的生长提供较好的单一原子终止面模板。所以在α-Al₂O₃(0001)上直接外延Cu₂O很容易出现多晶现象。

综上所述，Cu₂O与α-Al₂O₃(0001)之间外延关系较为复杂，外延过程中面临着容易多晶化以及过氧化、氧化不足等问题，如何修饰α-Al₂O₃(0001)表面、提供一个可重复的稳定模板、控制生长条件，从而获得单一取向甚至单晶生长的高质量Cu₂O薄膜至今仍然是一个很大的挑战。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种在蓝宝石衬底上制备Cu₂O薄膜的方法，能够获得可重复的稳定模板，获得单一取向甚至单晶生长的高质量Cu₂O薄膜。

本发明提供一种在蓝宝石衬底上制备Cu₂O薄膜的方法，包括：

1)在蓝宝石衬底上沉积MgO缓冲层；

2)在MgO缓冲层上沉积Cu₂O薄膜。

根据本发明提供的方法，其中MgO缓冲层的厚度为可以为1～30nm。

根据本发明提供的方法，其中MgO缓冲层的沉积过程中，衬底的温度在200-600℃范围内。

根据本发明提供的方法，其中步骤2)包括先沉积Cu₂O缓冲层，再沉积Cu₂O薄膜。

根据本发明提供的方法，其中Cu₂O缓冲层的厚度为10～30nm。

根据本发明提供的方法，其中沉积Cu₂O缓冲层时的衬底温度在300-500℃范围内。

根据本发明提供的方法，其中在沉积Cu₂O缓冲层后，在氧气氛下退火。

根据本发明提供的方法，其中退火温度在600-800℃范围内。