專利名稱：一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，屬納米晶光電材料的新材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碲化鋅(ZnTe)是一種性能優(yōu)異的II -VI族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，在室溫下的禁帶寬度為2. 26eV，且具有直接帶隙、可重摻雜性等優(yōu)點。在薄膜太陽能電池、半導(dǎo)體發(fā)光器件、藍綠發(fā)光二極管、光波導(dǎo)及調(diào)制器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。取向納米晶ZnTe晶體因為相對高的各向異性而顯示的高透過率和較強的激發(fā)光譜，在光電顯示和太陽能窗口層等領(lǐng)域中有廣泛的潛在應(yīng)用。取向納米晶ZnTe晶體的性能與所用的制備工藝方法有很大的關(guān)系，其晶體的質(zhì)量與退火環(huán)境、溫度密切相關(guān)。傳統(tǒng)的ZnTe晶體生長條件要求高，溫度高達1100°C，由于過高的生長溫度引起蒸汽壓升高，從而影響到使得生長過程容易引起爆炸，工藝成本增加，所制備的ZnTe晶體也會存在過高的熱缺陷，導(dǎo)致光學(xué)性能下降。本發(fā)明提出室溫濺射和原位退火的工藝，既解決了晶體生長溫度和蒸汽壓過高的難題，又為晶體生長取向控制提供了條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決上述的技術(shù)問題而提供一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，即通過改變襯底材料，并在室溫下濺射及原位退火，從而制備具有晶體學(xué)取向性的納米晶ZnTe晶體，即達到了控制晶體結(jié)晶質(zhì)量的目的，提高了其發(fā)光特性，又能有效控制晶體生長方向。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，其制備過程包括下列步驟
(1)、以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，按照原子比I: I的比例配料，采用高能行星式球磨設(shè)備對原料進行均勻混合，混料時間為4h，將混合后的原料置于真空為 10_3Pa的真空熔煉爐中，熔煉爐加熱到1200°C進行熔煉，熔煉完成后再精煉20min后澆鑄， 即得到ZnTe合金料；
(2)、將步驟(I)所得的ZnTe合金料澆鑄在內(nèi)徑為20mm的柱狀模具中，隨爐冷卻到室溫，形成ZnTe合金棒料；
(3)、將步驟(2)所得的ZnTe合金棒料加工成直徑20mm,高IOmm,形成ZnTe合金祀材；
(4)、將步驟(3)所形成的ZnTe合金靶材在去離子水中超聲清洗60min，然后用吹風(fēng)機烘干；
(5)、將步驟(4)處理后ZnTe合金靶材用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積設(shè)備的靶材載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到脈沖激光沉積設(shè)備的靶材載物臺的基座上；
(6)、用5_X5_的普通玻璃、藍寶石或單晶硅作為襯底，將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗15min，用去離子水沖洗干凈后用吹風(fēng)機吹干；
(7)、將步驟(6)處理后襯底用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積設(shè)備的襯底載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到脈沖激光沉積設(shè)備的襯底載物臺的基架上；
(8)、靶材和襯底放置完成后，調(diào)整靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，控制脈沖激光沉積設(shè)備的真空度為10_3Pa，將靶材和襯底以5(Tl20r/min進行旋轉(zhuǎn)；
(9)、濺射態(tài)ZnTe薄膜的制備
將經(jīng)過步驟(8)調(diào)整的靶材和襯底在脈沖激光沉積設(shè)備上控制濺射溫度為室溫，脈沖激光能量密度為2 5J/cm2，優(yōu)選2 3J/cm2，濺射時間為60 120min進行濺射，得到濺射態(tài)ZnTe薄膜；
所述的脈沖激光沉積設(shè)備，包括準分子激光器和真空鍍膜系統(tǒng)，調(diào)整準分子激光器中激光發(fā)射路線，使其通過真空鍍膜系統(tǒng)的激光入射窗口，聚焦在靶材位置，濺射過程的具體操作如下
先后啟動真空鍍膜系統(tǒng)的機械泵、分子泵，真空度達KT3Pa ;再啟動靶材和襯底旋轉(zhuǎn)， 調(diào)整轉(zhuǎn)速；用真空鍍膜系統(tǒng)的遮擋板遮住襯底，啟動激光發(fā)射器，調(diào)整脈沖激光能量；濺射靶材表面污染層5min后，移走遮擋板，開始進行濺射，濺射時間為6(Tl20min ;濺射后依次關(guān)閉激光發(fā)射器、靶材和襯底旋轉(zhuǎn)、分子泵、機械泵；打開真空鍍膜系統(tǒng)的真空室，取出濺射態(tài)ZnTe薄膜；
(10)、將通過(9)所得的濺射態(tài)ZnTe薄膜在3(T400°C下，優(yōu)選250 400°C進行原位退火處理，可得到取向納米晶ZnTe晶體。上述的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法所得的一種取向納米晶ZnTe晶體， 其晶粒尺寸約為20 60nm，優(yōu)選35 40 nm，所得的一種取向納米晶ZnTe晶體具有〈110〉 和〈111〉取向。上述所得的一種取向納米晶ZnTe晶體，可用于薄膜太陽能電池、半導(dǎo)體發(fā)光器件、藍綠發(fā)光二極管、光波導(dǎo)及調(diào)制器等方面。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，由于制備過程中采用脈沖激光沉積和原位退火技術(shù)，因此，制備出的取向納米晶ZnTe晶體晶粒尺寸可以通過原位退火溫度的調(diào)整進行控制，其晶粒尺寸范圍可控制在20 60nm。另外，本發(fā)明的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，由于通過對襯底材料和原位生長溫度的調(diào)整，可以改變晶體的生長習(xí)性，從而實現(xiàn)〈110〉或〈111〉不同的晶體學(xué)取向。相對于現(xiàn)有的取向納米晶ZnTe晶體制備方法，該方法具有制備成本低、制備材料晶粒分布均勻，制備方法簡單高效等特點。


圖I、實施例I中退火溫度為280°C制備的ZnTe薄膜的XRD圖像。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步闡述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的實施例中所用的各設(shè)備的型號及生產(chǎn)廠家，具體如下高能行星式球磨設(shè)備ND-4L小型行星式球磨機，南京萊步科技實業(yè)有限公司；
真空熔煉爐=ZG-IO真空感應(yīng)熔煉爐，上海晨鑫電爐有限公司；
脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備組裝部分包括
準分子激光器ThinFilmStarlOO，德國(激光)；
真空鍍膜系統(tǒng)PLD-362-S，AOV公司。實施例I
本發(fā)明的一種〈110〉取向納米晶ZnTe晶體的制備工藝方法其制備過程包括下列步
驟
(1)、以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，按照原子比I: I的比例配料，采用高能行星式球磨設(shè)備對原料進行均勻混合，混料時間為4h，將混合后的原料置于真空度為 10_3Pa的真空熔煉爐中，熔煉爐加熱到1200°C進行熔煉，熔煉完成后再精煉20min后澆鑄， 即得到ZnTe合金料；
(2)、將步驟(I)所得的ZnTe合金料澆鑄在內(nèi)徑為20mm的柱狀模具中，隨爐冷卻到室溫，形成ZnTe合金棒料；
(3)、將步驟(2)所得的ZnTe合金棒料加工成直徑20mm,高IOmm,形成ZnTe合金祀材；
(4)、將步驟(3)所形成的ZnTe合金靶材在去離子水中超聲清洗60分鐘，然后用吹風(fēng)機烘干；
(5)、將步驟(4)處理后ZnTe合金靶材用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備靶材載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的靶材載物臺的基座上；
(6)、將5mmX5mm的普通玻璃作為襯底，將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗15min，用去離子水沖洗干凈后用吹風(fēng)機吹干；
(7)、將步驟(6)處理后襯底用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備的襯底載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的襯底載物臺的基架上；
(8)、靶材和襯底放置完成后，調(diào)整靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，控制PLD設(shè)備真空度為 10_3Pa，將靶材和襯底以50r/min的速度進行旋轉(zhuǎn)；
(9)濺射態(tài)ZnTe薄膜的制備
將經(jīng)過步驟(8)調(diào)整的靶材和襯底在脈沖激光沉積設(shè)備上控制濺射溫度為室溫，脈沖激光能量密度為3J/cm2，濺射時間為60min進行濺射，得到濺射態(tài)ZnTe薄膜；
(10)、將通過(9)所得的濺射態(tài)ZnTe薄膜在280°C下進行原位退火處理，可得到取向納米晶ZnTe晶體，退火處理后薄膜的XRD圖像如圖I所示，從圖I中可以看出，所得的一種取向納米晶ZnTe晶體，其晶粒尺寸約為40nm，其晶粒分布均勻，具有〈110〉取向。實施例2
本發(fā)明的一種〈100〉取向納米晶ZnTe晶體的制備工藝方法其制備過程包括下列步
驟
(1)、以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，按照原子比I: I的比例配料，采用高能行星式球磨設(shè)備對原料進行均勻混合，混料時間為4h，將混合后的原料置于真空度為 10_3Pa的真空熔煉爐中，熔煉爐加熱到1200°C進行過熔煉，熔煉完成后再精煉20min后澆鑄，即得到ZnTe合金料；
(2)、將步驟(I)所得的ZnTe合金料澆鑄在內(nèi)徑為20mm的柱狀模具中，隨爐冷卻到室溫，形成ZnTe合金棒料；
(3)、將步驟(2)所得的ZnTe合金棒料加工成直徑20mm,高IOmm,形成ZnTe合金祀材；
(4)、將步驟(3)所形成的ZnTe合金靶材在去離子水中超聲清洗60min，然后用吹風(fēng)機烘干；
(5)、將步驟(4)處理后ZnTe合金靶材用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備的靶材載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的靶材載物臺的基座上；
(6)、將5mmX5mm的藍寶石作為襯底，將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗15min，用去離子水沖洗干凈后用吹風(fēng)機吹干；
(7)、將步驟(6)處理后襯底用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備的襯底載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的襯底載物臺的基架上；
(8)、靶材和襯底放置完成后，調(diào)整靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，控制PLD設(shè)備真空度為 10_3Pa，將靶材和襯底以60r/min的速度進行旋轉(zhuǎn)；
(9)、濺射態(tài)ZnTe薄膜的制備
將經(jīng)過步驟(8)調(diào)整的靶材和襯底在脈沖激光沉積設(shè)備上控制濺射溫度為室溫，脈沖激光能量密度為3J/cm2，濺射時間為60min進行濺射，得到濺射態(tài)ZnTe薄膜；
(10)、將通過(9)制備的濺射態(tài)ZnTe薄膜在250°C下進行原位退火處理，可得到晶粒尺寸約為35nm，其晶粒分布均勻，具有〈100〉取向的取向納米晶ZnTe晶體。實施例3
本發(fā)明的一種〈110〉取向納米晶ZnTe晶體的制備工藝方法其制備過程包括下列步
驟
(1)、以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，按照原子比I: I的比例配料，采用高能行星式球磨設(shè)備對原料進行均勻混合，混料時間為4h，將混合后的原料置于真空度為 10_3Pa的真空熔煉爐中，熔煉爐加熱到1200°C進行熔煉，熔煉完成后再精煉20min后澆鑄， 即得到ZnTe合金料；
(2)、將步驟(I)所得的ZnTe合金料澆鑄在內(nèi)徑為20mm的柱狀模具中，隨爐冷卻到室溫，形成ZnTe合金棒料；
(3)、將步驟(2)所得的ZnTe合金棒料加工成直徑20mm,高IOmm,形成ZnTe合金祀材；
(4)、將步驟(3)所形成的ZnTe合金靶材在去離子水中超聲清洗60分鐘，然后用吹風(fēng)機烘干；
(5)、將步驟(4)處理后ZnTe合金靶材用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備靶材載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的靶材載物臺的基座上；
(6)、將5mmX5mm的單晶硅(110取向)作為襯底，將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗 15min，用去離子水沖洗干凈后用吹風(fēng)機吹干；
(7)、將步驟(6)處理后襯底用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積(PLD)設(shè)備的襯底載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到PLD的襯底載物臺的基架上；
(8)、靶材和襯底放置完成后，調(diào)整靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，控制PLD設(shè)備真空度為 10_3Pa，將靶材和襯底以120r/min的速度進行旋轉(zhuǎn)；
(9)、濺射態(tài)ZnTe薄膜的制備
將經(jīng)過步驟(8)調(diào)整的靶材和襯底在脈沖激光沉積設(shè)備上控制濺射溫度為室溫，脈沖激光能量密度為2J/cm2，濺射時間為120min進行濺射，得到濺射態(tài)ZnTe薄膜；
(10)、將通過(9)所得的濺射態(tài)ZnTe薄膜在400°C下進行原位退火處理，可得到晶粒尺寸約為40nm，具有〈110〉取向的取向納米晶ZnTe晶體。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)、以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，按照原子比I: I的比例配料，采用高能行星式球磨設(shè)備對原料進行均勻混合，混料時間為4h，將混合后的原料置于真空為 10_3Pa的真空熔煉爐中，熔煉爐加熱到1200°C進行熔煉，熔煉完成后再精煉20min后澆鑄， 即得到ZnTe合金料；(2)、將步驟(I)所得的ZnTe合金料澆鑄在內(nèi)徑為20mm的柱狀模具中，隨爐冷卻到室溫，形成ZnTe合金棒料；(3)、將步驟(2)所得的ZnTe合金棒料加工成直徑20mm,高IOmm,形成ZnTe合金祀材；(4)、將步驟(3)所形成的ZnTe合金靶材在去離子水中超聲清洗60min，然后用吹風(fēng)機烘干；(5)、將步驟(4)處理后ZnTe合金靶材用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積設(shè)備的靶材載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到脈沖激光沉積設(shè)備的靶材載物臺的基座上；(6)、用5_X5_的普通玻璃、藍寶石或單晶硅作為襯底，將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗15min，用去離子水沖洗干凈后用吹風(fēng)機吹干；(7)、將步驟(6)處理后襯底用導(dǎo)電銀膠粘在脈沖激光沉積設(shè)備的襯底載物臺上，用吹風(fēng)機烘干導(dǎo)電銀膠后，放置到脈沖激光沉積設(shè)備的襯底載物臺的基架上；(8)、靶材和襯底放置完成后，調(diào)整靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，控制脈沖激光沉積設(shè)備的真空度為10_3Pa，將靶材和襯底以5(Tl20r/min進行旋轉(zhuǎn)；(9)、濺射態(tài)ZnTe薄膜的制備將經(jīng)過步驟(8)調(diào)整的靶材和襯底在脈沖激光沉積設(shè)備上控制濺射溫度為室溫，脈沖激光能量密度為2 5J/cm2，優(yōu)選2 3 J/cm2，濺射時間為60 120min進行濺射，得到濺射態(tài)ZnTe薄膜；所述的脈沖激光沉積設(shè)備，包括準分子激光器和真空鍍膜系統(tǒng)，調(diào)整準分子激光器中激光發(fā)射路線，使其通過真空鍍膜系統(tǒng)的激光入射窗口，聚焦在靶材位置，濺射過程的具體操作如下先后啟動真空鍍膜系統(tǒng)的機械泵、分子泵，真空度達KT3Pa ;再啟動靶材和襯底旋轉(zhuǎn)， 調(diào)整轉(zhuǎn)速；用真空鍍膜系統(tǒng)的遮擋板遮住襯底，啟動激光發(fā)射器，調(diào)整脈沖激光能量；濺射靶材表面污染層5min后，移走遮擋板，開始進行濺射，濺射時間為6(Tl20min ;濺射后依次關(guān)閉激光發(fā)射器、靶材和襯底旋轉(zhuǎn)、分子泵、機械泵；打開真空鍍膜系統(tǒng)的真空室，取出濺射態(tài)ZnTe薄膜；(10)、將通過(9)所得的濺射態(tài)ZnTe薄膜在3(T400°C下進行原位退火處理，可得到取向納米晶ZnTe晶體。
2.如權(quán)利要求I所述的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，其特征在于步驟(9)所述的脈沖激光能量密度為2 3J/cm2。
3.如權(quán)利要求2所述的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，其特征在于步驟(10) 所述的原位退火溫度為25(T400°C。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法所得的取向納米晶ZnTe晶體，其特征在于所得的納米晶ZnTe晶體的取向為〈110〉和〈111〉。
5.如權(quán)利要求4所述的一種取向納米晶ZnTe晶體,其特征在于所述的取向納米晶ZnTe晶體的晶粒尺寸為20 60nm。
6.如權(quán)利要求4所述的一種取向納米晶ZnTe晶體,其特征在于所述的取向納米晶 ZnTe晶體的晶粒尺寸為30 40nm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種取向納米晶ZnTe晶體的制備方法，即以純度高于99.999%的金屬Zn和Te為原料，在真空中合成ZnTe合金料，合金料經(jīng)過去離子水清洗，用導(dǎo)電銀膠粘結(jié)在脈沖激光沉積設(shè)備載物臺上，作為濺射靶材，在室溫下以脈沖激光能量密度為2~5J/cm2濺射ZnTe靶材，靶材與襯底距離設(shè)置為5cm，濺射襯底為玻璃、藍寶石或單晶硅等，將濺射后的薄膜在30~400℃下進行原位退火處理后，即得到取向納米晶ZnTe晶體。所得的取向納米晶ZnTe晶體，其晶粒尺寸約為20～60nm，且具有和取向。與傳統(tǒng)制備方法相比，該方法可通過濺射后退火溫度控制、襯底控制實現(xiàn)納米晶ZnTe晶體取向生長。
文檔編號C30B29/48GK102586880SQ20121008082
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者徐家躍, 房永征, 王占勇, 申慧, 金敏, 鐘柳明 申請人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院