專(zhuān)利名稱(chēng)：鍺量子點(diǎn)摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子束濺射制備鍺量子點(diǎn)摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備方 法，屬于鍺與二氧化鈦復(fù)合薄膜技術(shù)。
背景技術(shù)：
二氧化鈦(TiO2)屬于η型半導(dǎo)體材料，具有氧化能力強(qiáng)、無(wú)毒、光穩(wěn)定性好以及廉 價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，在光、電及催化性能方面具有一些特殊性能，因此在太陽(yáng)能電池、光催化劑以及 氣敏傳感器等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是TiA的禁帶寬度為3. 0-3. &V，只能吸收 波長(zhǎng)小于400nm的紫外光，且光生載流子利用效率較低，光電轉(zhuǎn)換效率低，從而限制了其在 光電轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用。目前提高TiO2光電轉(zhuǎn)換效率的有效方法是對(duì)其進(jìn)行量子點(diǎn)摻雜或 敏化。量子點(diǎn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)量子尺寸效應(yīng)。通過(guò)改變半導(dǎo)體量子點(diǎn)的大小，可以使薄膜 吸收特定波長(zhǎng)的光線，即小量子點(diǎn)吸收短波長(zhǎng)的光，而大量子點(diǎn)吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。此外，量 子點(diǎn)每吸收一個(gè)光子能量就能產(chǎn)生多個(gè)激子(電子-空穴對(duì))，而傳統(tǒng)半導(dǎo)體每個(gè)光子吸收 只能產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，換句話(huà)說(shuō)，量子點(diǎn)材料可以減少傳統(tǒng)半導(dǎo)體光子吸收損失的很 多能量。鍺作為最早被研究的半導(dǎo)體材料，具有高的空穴遷移率和電子遷移率，同時(shí)禁帶寬 度小，是理想的摻雜材料。因此，在二氧化鈦納米薄膜中摻雜鍺量子點(diǎn)，吸收光線后，鍺向二 氧化鈦釋放電子，再在傳導(dǎo)電極上收集，進(jìn)而產(chǎn)生光電流，可以有效提高TiO2薄膜的光電轉(zhuǎn) 換效率。目前，制備量子點(diǎn)摻雜納米薄膜的方法有很多，包括溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積、 脈沖激光沉積等。這些方法各自存在不同的不足之處，如所制得的薄膜致密性不高、附著 力不強(qiáng)、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、量子點(diǎn)易團(tuán)聚等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鍺量子點(diǎn)摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備方法。該 方法過(guò)程簡(jiǎn)單，以此方法能夠得到高密度、尺寸均勻的鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合 薄膜，且生產(chǎn)成本低，易于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種鍺量子點(diǎn)摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄 膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)基片、靶材的清洗首先用丙酮對(duì)石英基片或硅基片清洗10 15min，再用無(wú)水 乙醇進(jìn)行超聲清洗10 15min，最后用去離子水反復(fù)清洗，晾干備用；用無(wú)水乙醇對(duì)純度為 99. 99%以上的二氧化鈦靶材和99. 99%以上鍺靶材表面擦拭干凈，備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗干凈的基片和靶材分別置入離子束濺射室內(nèi)的基盤(pán)和靶位 上，抽真空使其本底真空度達(dá)到2. OX 9. 4X IO-4Pa,接著向?yàn)R射室內(nèi)通入純度為 99. 99%以上的工作氣體-氬氣，使濺射室內(nèi)壓強(qiáng)為2. OX 10-2 2. 5 X 10_2Pa，調(diào)整濺射 室溫度為20°C 200°C ；3)采用引出電流為45mA，引出電壓為1. 6kV的氬離子束分別對(duì)靶材和基片各進(jìn)行5-10min的預(yù)濺射清洗；4)薄膜制備首先以引出電流為IOmA 40mA，引出電壓為0. 5kV 3kV的氬離子 束對(duì)二氧化鈦靶材進(jìn)行轟擊10 30min，使其在基片上濺射沉積一層TW2薄膜，然后在相 同的引出電流、電壓的條件下對(duì)鍺靶材轟擊1 25min，在已濺射二氧化鈦薄膜的基片上濺 射沉積形成一層Ge薄膜，這樣通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)二氧化鈦靶材和鍺靶材的位置在基片上交替濺射 沉積Ti02、Ge薄膜，直至使薄膜總厚度達(dá)到50 lOOOnm，最后以濺射一層TW2薄膜作為覆 蓋層結(jié)束，在基片上得到鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜；5)將步驟4)制備的鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜進(jìn)行退火，所述的退火條件以 升溫速率為2 40°C /min,升溫至400 700°C，保溫時(shí)間為0. 5 2h，然后隨爐溫冷卻至 室溫，在基片上得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用較為簡(jiǎn)單和溫和的方法制備了鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧 化鈦復(fù)合薄膜。過(guò)程中通過(guò)調(diào)控離子束濺射條件和工藝，能自由調(diào)節(jié)鍺量子點(diǎn)的含量、尺 度、形態(tài)及分布，并且克服了溶液法制備量子點(diǎn)時(shí)易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，從而在更大程度上調(diào)節(jié)摻 雜的二氧化鈦薄膜的光吸收特性，因此該方法在光電轉(zhuǎn)換材料制備方面具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


圖1為實(shí)例1在石英基片上制備的鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜透射形 貌照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)例1本發(fā)明實(shí)施過(guò)程所采用的設(shè)備為IBAD-600多功能離子注入與離子束濺射系統(tǒng)。將2cmX2cm方形石英基片浸泡在丙酮溶液中清洗15min，再用無(wú)水乙醇超聲清 洗lOmin，最后用大量的去離子水清洗；用無(wú)水乙醇對(duì)純度為99. 99%的二氧化鈦靶材和純 度為99. 99%鍺靶材的表面擦拭干凈。然后將清洗干凈的石英基片以及二氧化鈦和鍺靶材 分別固定于濺射真空室內(nèi)的基盤(pán)和靶位上，抽真空使本底真空度達(dá)到8 X IO-4Pa,接著向?yàn)R 射室內(nèi)通入純度為99. 99%的氬氣，使濺射室內(nèi)壓強(qiáng)為2. OX 10_2Pa，調(diào)整濺射室內(nèi)溫度為 25°C。在濺射薄膜之前，采用引出電流為45mA，引出電壓為1. 6kV的氬離子束分別對(duì)靶材 和基片各進(jìn)行5-lOmin的預(yù)濺射清洗。首先以引出電流為20mA，引出電壓為0. 7kV的氬離 子束對(duì)二氧化鈦靶材轟擊20min使其在基片上濺射沉積一層TiO2薄膜，然后在相同的條件 下對(duì)鍺靶材轟擊3min，在已濺射二氧化鈦薄膜的基片上濺射沉積形成一層Ge薄膜，這樣通 過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)二氧化鈦靶材和鍺靶材的位置在基片上交替濺射沉積Ti02、Ge薄膜，直至使薄膜厚 度達(dá)到150nm，最后以濺射一層TW2薄膜作為覆蓋層結(jié)束，得到鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄 膜。將得到的鍺摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜進(jìn)行退火，退火條件為以升溫速率為2V / min，升溫至500°C，保溫時(shí)間為lh，然后隨爐溫冷卻至室溫，得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧 化鈦復(fù)合薄膜，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)例2制備納米復(fù)合薄膜時(shí)所需的石英基片和靶材的清洗過(guò)程同實(shí)例1。
將清洗干凈的石英基片和靶材分別固定于濺射真空室內(nèi)的基盤(pán)和靶位上，抽真空 使本底真空度達(dá)到6. 0 X IO-4Pa,接著向?yàn)R射室內(nèi)通入純度為99. 99 %的氬氣，使濺射室內(nèi) 壓強(qiáng)為2. 5X 10_2Pa，調(diào)整濺射室內(nèi)溫度為100°C。石英基片和靶材的預(yù)濺射清洗過(guò)程同實(shí) 例1。首先以引出電流為20mA，引出電壓為0. 7kV的氬離子束對(duì)二氧化鈦靶材轟擊20min 使其在基片上濺射沉積一層TiO2薄膜，然后在相同的條件下對(duì)鍺靶材轟擊lOmin，在已濺射 二氧化鈦薄膜的基片上濺射沉積形成一層Ge薄膜，這樣通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)二氧化鈦靶材和鍺靶材 的位置在基片上交替濺射沉積Ti02、Ge薄膜，直至使薄膜厚度達(dá)到200nm，最后以濺射一層 TiO2薄膜作為覆蓋層結(jié)束，得到鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。將得到的鍺摻雜的納米二 氧化鈦復(fù)合薄膜進(jìn)行退火，退火條件為以升溫速率為30°C /min，升溫至400°C，保溫時(shí)間 為lh，然后隨爐溫冷卻至室溫，得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。實(shí)例3制備納米復(fù)合薄膜時(shí)所需的石英基片和靶材的清洗過(guò)程同實(shí)例1。將清洗干凈的石英基片和靶材分別固定于濺射真空室內(nèi)的基盤(pán)和靶位上，抽真空 使本底真空度達(dá)到8. O X 10_4Pa，接著向?yàn)R射室內(nèi)通入純度為99. 99 %的氬氣，使濺射室內(nèi) 壓強(qiáng)為2.0X10_2Pa，調(diào)整濺射室內(nèi)溫度為200°C。石英基片和靶材的預(yù)濺射清洗過(guò)程同實(shí) 例1。首先以引出電流為30mA，引出電壓為1. OkV的氬離子束對(duì)二氧化鈦靶材轟擊20min 使其在基片上濺射沉積一層TiO2薄膜，然后在相同的條件下對(duì)鍺靶材轟擊6min，在已濺射 二氧化鈦薄膜的基片上濺射沉積形成一層Ge薄膜，這樣通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)二氧化鈦靶材和鍺靶材 的位置在基片上交替濺射沉積Ti02、Ge薄膜，直至使薄膜厚度達(dá)到^Onm，最后以濺射一層 TiO2薄膜作為覆蓋層結(jié)束，得到鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。將得到的鍺摻雜的納米二 氧化鈦復(fù)合薄膜進(jìn)行退火，退火條件為以升溫速率為2V /min，升溫至600°C，保溫時(shí)間為 池，然后隨爐溫冷卻至室溫，得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。
權(quán)利要求
1. 一種鍺量子點(diǎn)摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)基片、靶材的清洗首先用丙酮對(duì)石英基片或硅基片清洗10 15min，再用無(wú)水乙 醇進(jìn)行超聲清洗10 15min，最后用去離子水反復(fù)清洗，晾干備用；用無(wú)水乙醇對(duì)純度為 99. 99%以上的二氧化鈦靶材和99. 99%以上鍺靶材表面擦拭干凈，備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗干凈的基片和靶材分別置入離子束濺射室內(nèi)的基盤(pán)和靶位上，抽 真空使其本底真空度達(dá)到2. 0 X KT4Pa 9. 4 X 10_4Pa，接著向?yàn)R射室內(nèi)通入純度為99. 99 % 以上的工作氣體-氬氣，使濺射室內(nèi)壓強(qiáng)為2. OX 2. 5X 10_2Pa，調(diào)整濺射室溫度為 20 °C 200 °C ；3)采用引出電流為45mA，引出電壓為1.6kV的氬離子束分別對(duì)靶材和基片各進(jìn)行 5-10min的預(yù)濺射清洗；4)薄膜制備首先以引出電流為IOmA 40mA，引出電壓為0.5kV 3kV的氬離子束對(duì) 二氧化鈦靶材進(jìn)行轟擊10 30min，使其在基片上濺射沉積一層TW2薄膜，然后在相同的 引出電流、電壓的條件下對(duì)鍺靶材轟擊1 25min，在已濺射二氧化鈦薄膜的基片上濺射沉 積形成一層Ge薄膜，這樣通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)二氧化鈦靶材和鍺靶材的位置在基片上交替濺射沉積 TiO2, Ge薄膜，直至使薄膜總厚度達(dá)到50 lOOOnm，最后以濺射一層TW2薄膜作為覆蓋層 結(jié)束，在基片上得到鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜；5)將步驟4)制備的鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜進(jìn)行退火，所述的退火條件以升溫 速率為2 40°C /min,升溫至400 700°C，保溫時(shí)間為0. 5 2h，然后隨爐溫冷卻至室溫， 在基片上得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離子束濺射制備鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備方法。該方法過(guò)程包括將基片和靶材清洗，置入濺射室內(nèi)，在真空和氬氣的保護(hù)條件下，預(yù)濺射清洗；以一定的引出電流、電壓的氬離子束對(duì)二氧化鈦和鍺靶材進(jìn)行交替濺射，在基片上沉積二氧化鈦薄膜和鍺薄膜，得到以二氧化鈦薄膜為覆蓋層的鍺摻雜納米二氧化鈦復(fù)合薄膜；經(jīng)退火后，得到鍺量子點(diǎn)摻雜的納米二氧化鈦復(fù)合薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，方法簡(jiǎn)單條件溫和，過(guò)程中能自由調(diào)節(jié)鍺量子點(diǎn)的含量、尺度、形態(tài)及分布，并且克服了溶液法制備量子點(diǎn)時(shí)易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，從而調(diào)節(jié)了摻雜的二氧化鈦薄膜的光吸收特性。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102071396SQ20111002097
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者萬(wàn)怡灶, 何芳, 劉貴高, 李小青, 黃遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)