一种可控制备ZnO薄膜的方法技术

本发明专利技术属于半导体材料生长技术领域，涉及一种在水溶液中低温制备高质量且形貌可控的ZnO薄膜的工艺。本发明专利技术在70℃的水溶液环境下通过Zn片和ZnCl2溶液反应的方法制备出高质量ZnO。首先采用砂纸打磨掉Zn片表面明显的污渍，然后用稀盐酸对Zn片进行清洗，之后用丙酮和去离子水分别进行超声清洗。再配制一定浓度的ZnCl2溶液(0.005mol/L-0.09mol/L)，将处理好的Zn片垂直放置到溶液中。最后在70℃的油浴环境下加热，得到高质量的ZnO薄膜。本发明专利技术直接在ZnCl2溶液中进行加热、不用调节碱度、操作简单、简化并缩短了干燥过程、降低了生产成本、并且没有引入其他杂质离子、解决了制备温度较高的问题和制备周期较长的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种可控制备ZnO薄膜的方法
本专利技术涉及半导体材料生长
，尤其是在水溶液中低温制备高质量且形貌可控的ZnO薄膜的工艺。
技术介绍
ZnO是纤锌矿结构的宽禁带直接带隙半导体材料，具有优越的光电性能。室温下，ZnO单晶材料的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，比半导体材料GaN的激子束缚能21meV要高得多，是室温热离化能(26meV)的2.3倍。这些特性使得ZnO成为继GaN材料后的又一新热点，是新型的第三代光电半导体材料的典型代表。目前已经有多种方法可以制备出ZnO半导体材料，其中液相生长法对设备要求简单、溶液体系可控性强、制备成本低，因而备受关注。目前液相生长法主要有衬底生长法、溶胶—凝胶法(Sol-gel)、电化学沉积法、水溶液生长法(S.Baruah,J.Dutta,R.Sci.Techonl.Adv.Mater.10(2009)013001)等，其中最为简单的是水溶液生长法。但是目前采用水溶液生长法制备ZnO薄膜主要存在制备周期较长、溶液体系需要维持一定的碱度、制备温度相对较高、难以得到形貌均一的材料等问题(W.K.Tan,K.A.Razak,Z.Lockman,etal.Mater.Lett.91(2013)111-114；J.H.Yang,J.H.Zheng,H.J.Zhai,etal.J.Cryst.Res.Techonl.44(2009)87-91；Y.Jiao,H.J.Zhu,X.F.Wang,etal.J.Cryst.Eng.Comm.12(2010)940-946；R.X.Shi,P.Yang,X.B.Dong,etal.Appl.Surf.Sci.264(2013)162-170)。
技术实现思路
本专利技术的目的是在不引入其他杂质离子的前提下，简化溶液体系，不用调节碱度，降低制备温度，缩短制备周期，制备出高质量的ZnO。本专利技术提供一种在70℃的水溶液环境下通过Zn片和ZnCl2溶液反应制备出高质量ZnO的方法。首先采用砂纸打磨掉Zn片表面明显的污渍，然后用稀盐酸对Zn片进行清洗，之后用丙酮和去离子水分别进行超声清洗。配制一定浓度的ZnCl2溶液(0.005mol/L-0.09mol/L)，将处理好的Zn片垂直放置到溶液中。最后在70℃的油浴环境下加热，得到高质量的ZnO薄膜。具体包括以下步骤：1.Zn片衬底的准备(1)将Zn片裁剪成长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；(2)用稀盐酸对Zn片进行清洗：稀盐酸处理2-3次，每次时间为15-25秒，每次在稀盐酸中清洗后应在去离子水中清洗8-15秒；(3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗，超声清洗时间为10-20分钟。2.ZnCl2溶液的配制(1)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，再按照浓度要求称取一定量的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80-100mL的ZnCl2溶液(浓度范围：0.005mol/L-0.09mol/L)。用玻璃棒搅拌使其充分溶解；(2)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，处理时间为10-15分钟，直至烧杯底部出现乳浊液为止。3.Zn片在ZnCl2溶液中的油浴反应(1)用细线将处理好的Zn片垂直放置在ZnCl2溶液中；(2)将获得的溶液在60-80℃油浴加热1-24小时。4.薄膜的冷却与清洗(1)将反应后的Zn片垂直浸入去离子水中，冷却并清洗，时间为2-5分钟；(2)将反应后的Zn片在室温条件下干燥，得到高质量的ZnO薄膜。本专利技术采用Zn片作为衬底，在70℃油浴的ZnCl2溶液中获得了高质量的ZnO。本专利技术提供的技术方案直接采用ZnCl2溶液，不用调节碱度，明显地简化了溶液体系，且没有引入其他杂质离子。此方法还降低了制备温度，大大缩短了制备周期，同时引入Cl-有效地控制了ZnO的形貌。本专利技术的创新点在于：(1)直接在ZnCl2溶液中进行加热，不用调节碱度，明显地简化了溶液体系，使得操作更加简单，降低了生产成本，并且没有引入其他杂质离子。(2)通过引入Cl-，有效调控了{0001}面与面的相对生长速度，可以获得形貌均一ZnO的可控制备。(3)在本专利技术设计的体系下，制备温度可以降低至70℃，解决了制备温度较高的问题。(4)在高浓度的ZnCl2溶液中，反应1小时后即可以得到ZnO阵列，有效解决了制备周期较长的问题。(5)采用直接在去离子水中冷却清洗的方法，简化并缩短了干燥过程。附图说明：图1在0.005mol/L的ZnCl2溶液中70℃加热24小时后制备的ZnO薄膜SEM图图2在0.07mol/L的ZnCl2溶液中70℃加热24小时后制备的ZnO薄膜SEM图具体实施方式制备案例一(1)将Zn片裁剪成的长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；(2)用稀盐酸对Zn片进行清洗：稀盐酸处理3次，每次时间为20秒，每次在稀盐酸中清洗后应在去离子水中清洗10秒；(3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗，超声清洗时间为15分钟；(4)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，称取0.054g的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80mL的ZnCl2溶液。然后用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；(5)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，处理时间为10分钟，直至烧杯底部出现乳浊液为止；(6)用细线将处理好的Zn片垂直放置在ZnCl2溶液中；(7)将获得的溶液在70℃进行油浴加热24小时；(8)将油浴完成的Zn片直接垂直浸入去离子水中，冷却并清洗，时间为3分钟；(9)将反应后的Zn片在室温条件下干燥。具体制备案例二(1)将Zn片裁剪成的长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；(2)用稀盐酸对Zn片进行清洗：稀盐酸处理3次，每次时间为20秒，每次在稀盐酸中清洗后应在去离子水中清洗10秒；(3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗，超声清洗时间为15分钟；(4)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，称取0.763g的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80mL的ZnCl2溶液。然后用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；(5)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，处理时间为10分钟，直至烧杯底部出现乳浊液为止；(6)用细线将处理好的Zn片垂直放置在ZnCl2溶液中；(7)将获得的溶液在70℃进行油浴加热24小时；(8)将油浴完成的Zn片直接垂直浸入去离子水中，冷却并清洗，时间为3分钟；(9)将反应后的Zn片在室温条件下干燥。具体制备案例三(1)将Zn片裁剪成的长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；(2)用稀盐酸对Zn片进行清洗：稀盐酸处理3次，每次时间为20秒，每次在稀盐酸中清洗后应在去离子水中清洗10秒；(3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗，超声清洗时间为15分钟；(4)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，称取0.763g的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80mL的ZnCl2溶液。然后用玻璃棒搅拌，使其充分溶解；(5)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，处理时间为10分钟，直至烧杯底部出现乳浊液为止；(6)用细线将处理好的Zn片垂直放置在ZnCl2溶液中；(7)将获得的溶液在70℃进行油浴加热4小时；(8)将油浴完成的Zn片直接垂直浸入去离子水中，冷却并清洗，时间为3分钟；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控制备ZnO薄膜的方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)、Zn片衬底的准备1)将Zn片裁剪成长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；2)用稀盐酸对Zn片进行清洗：3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗；(2)ZnCl2溶液的配制1)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，再按照浓度要求称取一定量的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80‑100mL的ZnCl2溶液用玻璃棒搅拌使其充分溶解；2)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，直至烧杯底部出现乳浊液为止；(3)Zn片在ZnCl2溶液中的油浴反应用细线将处理好的Zn片垂直放置在ZnCl2溶液中油浴加热；(4)薄膜的冷却与清洗1)将反应后的Zn片垂直浸入去离子水中，冷却并清洗，时间为2‑5分钟；2)将反应后的Zn片在室温条件下干燥，得到高质量的ZnO薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种可控制备ZnO薄膜的方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)、Zn片衬底的准备1)将Zn片裁剪成长条，用砂纸轻微打磨，除去表面明显的污渍；2)用稀盐酸对Zn片进行清洗，稀盐酸处理次数2-3次，每次时间为15-25秒；每次在稀盐酸中清洗后应在去离子水中清洗8-15秒；3)将酸洗后的Zn片分别用丙酮与去离子水超声清洗；超声清洗时间为10-20分钟(2)ZnCl2溶液的配制1)将ZnCl2固体颗粒研碎成粉状颗粒，再按照浓度要求称取一定量的ZnCl2粉末，用去离子水配制成80-100mL的ZnCl2溶液用玻璃棒搅拌使其充分溶解；2)将烧杯密封，对ZnCl2溶液进行超声处理，直至烧杯底部出现乳浊液为止；(3)Zn片...

【专利技术属性】
技术研发人员：常永勤，储昭强，徐阳璐，张静，龙毅，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11