一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，采用脈沖激光沉積法低溫下制備氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜，不僅拓展了ZnO?GaN復(fù)合材料的制備方法，可以實現(xiàn)高于600nm的可見光吸收，而且和粉體相比，在襯底上制備的ZnO/GaN復(fù)合薄膜更易于重復(fù)利用。本發(fā)明所制備薄膜粒徑分布均勻，具有明顯的可見光響應(yīng)，帶隙達到1.6eV。
【專利說明】
一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，人類對能源的需求在不斷的增長，由此而帶來的能源危機和環(huán)境問題是我們所面臨的最迫切的問題。氫能是一種可再生的二次能源，具有清潔、能量密度高、導(dǎo)熱性好、反應(yīng)速度快和存儲多樣化等優(yōu)點。一般用來作為光電化學制氫電池的半導(dǎo)體材料有TiC>2、ZnO、SrTiCb、SiC、GaN、CdS等(Adeli，B.and F.Taghipour , A Review ofSynthesis Techniques for Gal Iium-Zinc Oxynitride Solar-ActivatedPhotocatalyst for Water Splitting.Ecs Journal of Sol id State Science andTeChnOlOgy，2013.2(7):118-126.)。然而，絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料存在著帶隙比較大(一般大于3eV)的缺點，只能利用太陽光總能量4%左右的紫外光，如何發(fā)展穩(wěn)定高效的半導(dǎo)體光催化材料，使其能利用太陽輻射的可見光部分，成為近年來研究的熱點。
[0003]ZnO和GaN均為直接帶隙半導(dǎo)體材料，他們具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的禁帶寬度(ZnO室溫下禁帶寬度3.37eV，GaN室溫下禁帶寬度3.4eV)，Zn0和GaN具有優(yōu)異的光電、壓電和光催化等性能，在紫外光探測、發(fā)光和激光器件、太陽能電池，光催化制氫等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。歷經(jīng)多年的發(fā)展，ZnO和GaN半導(dǎo)體材料的研究在薄膜生長、雜質(zhì)調(diào)控和器件應(yīng)用等方面的研究獲得了巨大的進展。ZnO和GaN的導(dǎo)帶和價帶邊橫跨水解的氧化還原電勢，滿足光電化學水解氫的條件。但是由于其禁帶寬度較寬，在光催化制氫過程中存在著太陽光利用率差、量子效率低等缺點。
[0004]2005年，Maeda等人將ZnO和GaN復(fù)合形成ZnO-GaN固溶體，發(fā)現(xiàn)其是一種具有可見光響應(yīng)的可用作光解水制氫的新型光催化劑，從而開辟了光催化制氫材料研究的一個新領(lǐng)±j^(Maeda，K.，et al.,GaN: ZnO solid solut1n as a photocatalyst for visible-1ight-driven overall water splitting.Journal of the American ChemicalSociety,2005.127(23):p.8286-8287.)。目前用來制備ZnO-GaN固溶體的方法主要是高溫固相合成法，其制備出的產(chǎn)物為粉體，不易于收集和重復(fù)利用(Ward,M.J.，et al.,Nitridat1n Temperature Effects on Electronic and Chemical Properties of(Ga1-xZnx)(N1-xOx)Solid Solut1n Nanocrystals.The Journal of Physical Chemistry C,2013.117(39):p.20332-20342.)o

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的提供一種蝴蝶狀羥基磷酸銅催化劑的制備方法。
[0006]技術(shù)方案:一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，采用脈沖激光沉積法制備，靶材采用高純的氧化鋅和氮化鎵，分別裝載在相距30度角的靶材托盤上，靶材和襯底之間的距離保持在7cm，具體包括如下幾個步驟:
[0007]I)襯底清洗，用氮氣吹干后放入真空腔，
[0008]2)采用機械栗和分子栗的抽真空使得沉積室的真空度達到5 X 10_7TOrr，通入高純氮氣，氣體流量為30SCCm，靜置一段時間使得沉積室內(nèi)的真空度穩(wěn)定為1.2 X 10-2Torr,
[0009]3)預(yù)沉積，襯底采用分隔板遮擋，用激光對氧化鋅和氮化鎵靶材進行預(yù)轟擊，
[0010]4)激光先轟擊氧化鋅靶材25次，然后轉(zhuǎn)換到氮化鎵靶材轟擊25次，如此為一個循環(huán)，重復(fù)循環(huán)300次，
[0011]5)通入高純氮氣冷卻后得到氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜，沉積的復(fù)合薄膜厚度約為200nmo
[0012]進一步地，所述襯底為藍寶石襯底，因藍寶石襯底與氧化鋅和氮化鎵都有較小的晶格失陪。
[0013]進一步地，步驟I)中的清洗過程為將藍寶石襯底分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15分鐘。
[0014]進一步地，步驟3)和步驟4)中激光轟擊靶材時的激光波長為248nm，能量為220mJ，頻率為3Hz。
[0015]進一步地，步驟4)中，靶材和襯底均以20轉(zhuǎn)/分的速率進行旋轉(zhuǎn)，其目的是使得被轟擊的靶材和沉積在襯底上的薄膜更均勻。
[0016]進一步地，步驟5)中通入高純氮氣使真空腔內(nèi)的壓強保持在IX 14Torr0
[0017]有益效果:本發(fā)明采用脈沖激光沉積法在藍寶石襯底上低溫制備了ZnO和GaN復(fù)合薄膜，不僅拓展了 ZnO-GaN復(fù)合材料的制備方法，可以實現(xiàn)高于600nm的可見光吸收，而且和粉體相比，在襯底上制備的ZnO/GaN復(fù)合薄膜更易于重復(fù)利用。本發(fā)明所制備薄膜粒徑分布均勻，具有明顯的可見光響應(yīng)，帶隙達到1.6eV。
【附圖說明】
[0018]圖1為根據(jù)實施例1產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖像。
[0019]圖2為根據(jù)實施例1產(chǎn)物的EDS能譜圖像。
[0020]圖3是實施例1產(chǎn)物的透射譜。
[0021]圖4是實施例2產(chǎn)物的透射譜。
【具體實施方式】
[0022]為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。
[0023]實施例1
[0024]將藍寶石襯底分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15分鐘，后用氮氣吹干，放入真空沉積室中。實驗采用脈沖激光沉積法，靶材采用高純的氧化鋅和氮化鎵，分別裝載在相距30度角的靶材托盤上。采用機械栗和分子栗的抽真空使得沉積室的真空度達到5X10—7Torr。通入高純氮氣，氣體流量為30SCCm。靜置一段時間使得沉積室內(nèi)的真空度穩(wěn)定為1.2 X 10—2Torr。沉積的襯底溫度為室溫(23°C )。激光光源采用激光波長為248nm的KrF準分子激光器，頻率為3Hz，激光能量為220mJ，激光通過外置聚焦鏡聚焦到靶材上。靶材和襯底之間的距離保持在7cm。在正式制備樣品前，先用激光對氧化鋅和氮化鎵靶材進行預(yù)沉積，預(yù)沉積時襯底采用分隔板遮擋。正式沉積時，激光先轟擊氧化鋅靶材25次，然后轉(zhuǎn)換到氮化鎵靶材轟擊25次，如此為一個循環(huán)，重復(fù)循環(huán)300次。通入高純氮氣冷卻后得到氧化鋅/
氮化鎵復(fù)合薄膜。
[0025]圖1是制備的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的掃描電子顯微鏡圖像，從圖中可以看出薄膜的顆粒分布均勻。
[0026]圖2是制備的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的EDS能譜圖，從圖中可以明顯的看到鋅和鎵的峰，其中鋁的峰來自有藍寶石襯底。
[0027]圖3是制備的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的透射譜，從圖中可以看出其透射的吸收邊在600nm左右，經(jīng)過分析可得其帶隙寬度約為1.6eV。
[0028]實施例2
[0029]將實施例1中的襯底沉積溫度由室溫(23°C)增加到50°C并在沉積過程中保持此溫度恒定。圖4是在襯底溫度為50°C時制備的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的透射譜，從圖中可以看出其透射的吸收邊和室溫下相比有明顯的藍移現(xiàn)象，說明增加沉積溫度提高了氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的帶隙，經(jīng)過分析可得其帶隙寬度約為I.7eV0
[0030]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，采用脈沖激光沉積法制備，靶材采用高純的氧化鋅和氮化鎵，分別裝載在相距30度角的靶材托盤上，靶材和襯底之間的距離保持在7cm，具體包括如下幾個步驟: 1)襯底清洗，用氮氣吹干后放入真空腔， 2)采用機械栗和分子栗的抽真空使得沉積室的真空度達到5X 10-7Torr，通入高純氮氣，氣體流量為30SCCm，靜置一段時間使得沉積室內(nèi)的真空度穩(wěn)定為1.2 X 10-2Torr, 3)預(yù)沉積，襯底采用分隔板遮擋，用激光對氧化鋅和氮化鎵靶材進行預(yù)轟擊， 4)激光先轟擊氧化鋅靶材25次，然后轉(zhuǎn)換到氮化鎵靶材轟擊25次，如此為一個循環(huán)，重復(fù)循環(huán)300次， 5)通入高純氮氣冷卻后得到氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底為藍寶石襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，步驟I)中的清洗過程為將藍寶石襯底分別在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗15分鐘。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3)和步驟4)中激光轟擊靶材時的激光波長為248nm，能量為220mJ，頻率為3Hz。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，步驟4)中，靶材和襯底均以20轉(zhuǎn)/分的速率進行旋轉(zhuǎn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鋅/氮化鎵復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，步驟5)中通入高純氮氣使真空腔內(nèi)的壓強保持在I X 14Torr0
【文檔編號】C23C14/28GK106086795SQ201610377095
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】咸馮林, 徐林華, 鄭改革, 匡文劍, 李金花, 曹兆樓, 裴世鑫, 賴敏
【申請人】南京信息工程大學