[发明专利]光电子器件ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子学技术领域，尤其涉及一种用于光电子器件用的ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜。

背景技术

20世纪80年代末以来，由于信息及光电子产业的发展壮大，对于半导体材料光电特性提出更高要求，因而加速了以Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物为代表的第三代半导体材料的研究进展。氧化锌（ZnO）材料的同质结和异质结在声表面波、透明电极、发光器件等领域有着巨大的发展潜力，成为人们广泛关注的焦点。ZnO是一种六角纤锌矿结构的宽禁带直接带隙n型半导体材料，晶格常数a=0.325nm，c=0.521nm，室温下禁带宽度约为3.37 eV，激子束缚能为60meV，具有良好的化学稳定性、无毒、原料丰富、价格低廉等优势。然而，这些同质结和异质结的电学性能达不到实际应用的要求。主要是由于p型材料限制了其电学性能，p型ZnO材料可重复性差，很难制备高质量的p型ZnO，而Si、NiO、CuAlO₂、ZnMgO等p型材料与ZnO存在较大的晶格失配，所制备的ZnO异质结的光电性能有一定的局限性。因此，需要寻找一种与ZnO晶格匹配性好的p型材料。硫化锌（ZnS）是一种宽禁带直接带隙p型半导体材料，晶格常数a=0.381nm，c=0.623nm，室温下禁带宽度为3.72 eV，折射率为2.35，在太阳能电池以及短波长光电子器件等领域有着广泛的应用。此外，由于O和S是同族元素，且离子半径相差不大。因此，ZnO和ZnS的晶格匹配好，高性能的ZnO/ZnS异质p-n结有利于制备高品质的光电子器件膜。

近年来，低维纳米材料表现出一系列优异的特性，因此纳米线、纳米棒、纳米管等结构构成的ZnO纳米薄膜成为研究的热点。采用纳米棒结构可克服现有传统结构制备工艺复杂、操作不便、制备温度高、产品性能不稳定、不适于工程化应用等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种成本低、制备工艺简单的用于光电子器件的ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜。

为实现上述目的，本发明采用的方案为：一种光电子器件ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜制备方法，包括以下步骤：

（a）清洗光电子器件玻璃衬底：先用洗洁精清洗玻璃衬底，然后用浓硫酸煮沸，接着依次分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗；

（b）ZnO种子层的制备：将二水醋酸锌在室温下溶于乙二醇甲醚和单乙醇胺的混合溶液，二水醋酸锌在溶液中的浓度为0.8 mol/L，醋酸锌与单乙醇胺的摩尔比保持1:1；该混合液置于水浴中控温60℃，磁力搅拌4 小时，得到澄清透明、均匀的溶胶，将制得的溶胶静置陈化24 小时，用于薄膜的涂敷；将步骤（a）清洗后的玻璃片为基底，采用匀胶机旋涂法将静置陈化后的溶胶镀膜，在200℃下烘干，反复多次增加膜厚；然后将试样转移至箱式电阻炉中300℃恒温30 分钟，接着在550℃恒温退火2 小时，炉内自然冷却至室温，即可得到无掺杂的ZnO种子层；

（c）ZnO纳米棒有序阵列薄膜的制备：将氨水滴加到搅拌中的硝酸锌溶液中，使氨水与硝酸锌的摩尔比为8:1，硝酸锌在溶液中的浓度为0.06mol/L，接着将经过步骤（b）生长了ZnO种子层的样品放入高压反应釜中，倒入上述溶液，将密封好的反应釜放入烘箱中于50~90℃加热4~9 小时；待烘箱冷却到室温后，将样品取出，并用去离子水冲洗，然后在空气中干燥；

（d）ZnO/ZnS异质结构纳米阵列的制备：将1.6g硫脲、4.6g醋酸锌、13.1g异丙醇和14.8g氨水放入烧杯中，并在室温磁力搅拌器中搅拌30分钟，接着将经过步骤（c）生长了ZnO纳米棒薄膜的样品放入高压反应釜中，倒入上述溶液，将密封好的反应釜放入烘箱中于120℃加热4 小时；待烘箱冷却到室温后，将样品取出，并用去离子水冲洗，然后在空气中干燥。

本发明的ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜，采用水热合成方法在ZnO种子层上生长一层ZnO纳米棒有序阵列薄膜结构，具有设备成本低、工艺简单、操作方便、制备温度较低、产品性能优良、适于工程化应用等优点。

附图说明

图1 为本发明实施例结构原理图；

图中标记说明：1—玻璃衬底层，2—ZnO种子层，3—ZnO纳米棒层，4—ZnS纳米棒层。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，参见图1：

按本发明方案实施的一种用于光电子器件的ZnO/ZnS异质结纳米阵列膜，包括有从内至外依次结合的四层，分别为：玻璃衬底层、ZnO种子层、ZnO纳米棒层、ZnS纳米棒层，玻璃衬底层为基底，先用洗洁精清洗，然后用浓硫酸煮沸，接着分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗，使其表面层光洁，便于ZnO种子层涂覆。ZnO种子层涂覆在以上述玻璃衬底层为基底的光洁表层上，将一定量的二水醋酸锌在室温下溶于乙二醇甲醚和单乙醇胺的混合溶液，二水醋酸锌在溶液中的浓度为0.8 mol/L，醋酸锌与单乙醇胺的摩尔比保持1:1。该混合液置于水浴中控温60℃，磁力搅拌4小时，得到澄清透明、均匀的溶胶，将制得的溶胶静置陈化24小时，用于薄膜的涂敷。以上述洁净的玻璃片为基底，采用匀胶机旋涂法镀膜，在200℃下烘干，反复多次增加膜厚。然后将试样转移至箱式电阻炉中300℃恒温30分钟，接着在550℃恒温退火2 小时，炉内自然冷却至室温，即可得到无掺杂的ZnO种子层。ZnO纳米棒层有序生长在ZnO种子层上呈纳米棒状结构，将一定量的氨水滴加到搅拌中的硝酸锌溶液中，接着将生长了ZnO种子的样品放入高压反应釜中，并倒入上述溶液，最后将密封好的反应釜放入烘箱中于50~90℃加热4~9 小时。待烘箱冷却到室温后，将样品取出，并用去离子水冲洗，然后在空气中干燥，得到ZnO纳米棒层。采用水热合成方法在上述薄膜上生长一层ZnS纳米薄膜，ZnS纳米棒层生长在ZnO纳米棒层上形成异质结，将1.6g硫脲、4.6g醋酸锌、13.1g异丙醇和14.8g氨水放入烧杯中，并在室温磁力搅拌器中搅拌30分钟。接着将生长了ZnO纳米棒薄膜的样品放入高压反应釜中，倒入上述溶液，将密封好的反应釜放入烘箱中于120℃加热4 小时；待烘箱冷却到室温后，将样品取出，并用去离子水冲洗，然后在空气中干燥。