铜镓氧红外透明导电纳米晶膜的制备方法技术

本发明专利技术提供一种铜镓氧红外透明导电纳米晶膜的制备方法，依次包括铜镓前驱液配置步骤、所述铜镓前驱液的旋涂成膜步骤、成膜后的低温退火步骤、以及高温热处理步骤。本发明专利技术选用蓝宝石做为薄膜生长的衬底材料，采用简单溶液法制备，工艺简单能耗低，采用两步退火优化了晶膜表面的致密性，快速退火与降温可避免CuGaO2高温下合成反应的逆反应，从而制备出成分较为单一的CuGaO2纳米晶膜，提高了薄膜质量，使其在可见光区和红外光区都有较好的透过率和良好的导电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铜镓氧(CuGaO2)红外透明导电纳米晶膜的制备方法。
技术介绍
在信息
，以功能氧化物材料为基础制造的各种电子器件广泛应用在信息存储、光电探测和自动控制等领域中。在这些领域中，透明导电氧化物由于其同时具备良好的光学与电学特性而备受青睐，被广泛应用在平板液晶显示器、发光二极管、太阳能电池、触摸板、紫外探测器等技术中。但目前的透明导电材料，绝大多数常见为N型半导体，为了有源器件的制备急需对P型半导体进行开发与研究。另外，目前应用的纳米晶膜大多只在可见光范围内透明，在红外光区域并不透明且具有高反射率，因此有必要制备一种在红外光波段内也有良好透过率的P型导电膜。对铜铁矿CuGaO2材料而言，Cu3d10能级与O2p态能级接近并发生杂化，使价带顶能量增加，空穴摆脱束缚，形成了本征的P型半导体特性。同时铜铁矿CuGaO2材料具有红外光区与可见光区高透光率的优良光学特性。同时兼备的良好光学与本征P型的电学特性，为有源器件和真正意义上“透明器件”的制备提供了基础。因此，若能利用工艺简单、成本低廉、无需昂贵设备的溶液法制备出性能优越的CuGaO2纳米晶膜，其对工业化生产与有源器件的制造具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工艺简单、能耗低、能制备出具有较高电导率与红外透射率的铜镓氧(CuGaO2)纳米晶膜的方法。本专利技术铜镓氧红外透明导电纳米晶膜的制备方法，依次包括铜镓前驱液配置步骤、所述铜镓前驱液的旋涂成膜步骤、成膜后的低温退火步骤、以及高温热处理步骤。所述铜镓前驱液配置步骤，具体是指将含铜化合物和含镓化合物加入有机溶剂中配成前驱液。所述含铜化合物可以是醋酸铜、硝酸铜、氯化铜、硫酸铜等，优选醋酸铜；所述含镓化合物可以是硝酸镓、醋酸镓、氯化镓等，优选硝酸镓，所述有机溶剂可以是乙醇、乙醇胺、乙二醇、乙二醇甲醚等，优选乙醇胺和乙醇的混合溶液。含铜化合物和含镓化合物按铜元素和镓元素的摩尔比1：1配置，乙醇的加入量以能完全溶解含铜化合物和含镓化合物为宜，如果在乙醇中再额外添加乙醇胺，则乙醇胺和铜元素的摩尔比为1:4～8。少量的乙醇胺主要是改善薄膜表面的致密性。作为一个优选的技术方案，所述铜镓前驱液配置步骤，具体包括：醋酸铜和硝酸镓按1:1摩尔比称量后，先将硝酸镓加入乙醇胺和乙醇的混合溶液中，搅拌至完全溶解后加入醋酸铜搅拌得到蓝色透明前驱液，溶液中[C2H7NO]/[Cu2+]摩尔比为1:4～8。所述旋涂成膜步骤，包括采用匀胶机将所述铜镓前驱液均匀旋涂于蓝宝石衬底上，旋涂时间为10-60s，转速3000-5000r/min。优选的，在进行所述旋涂步骤前先对所述蓝宝石衬底进行清洗，一般可采用如下方法：常温常压下分别用稀硝酸(水:浓硝酸＝9:1)、去离子水、丙酮、乙醇四种溶剂清洗，清洗过程均在超声仪中进行，每个步骤超声时间为15～20min，目的是除掉衬底表面吸附的灰尘、有机物等。清洗后的衬底用N2气枪吹干备用，甩膜时需在快速退火炉中高温500℃热处理三分钟。所述低温退火步骤，具体如下：经旋涂成膜后，将薄膜在200-300℃空气氛围下快速退火3-5分钟。退火步骤可以去掉溶剂以及部分有机物，形成比较稳定的一层非晶或微晶状态的薄膜。作为进一步的优选方案，为了得到适当的薄膜厚度，所述旋涂成膜步骤和所述低温退火步骤可以多次重复，最好是重复6～8次。即退火后再次放在匀胶机上面旋涂，重复低温退火步骤，依次重复6～8次。所述高温热处理步骤，是指将低温退火后的样品在870～950℃氮气氛围中退火20-50分钟，氮气的流量保持在1.5-3L/min。为了使快速退火炉中的氮气氛围达到实验需求，样品高温热处理前，可提前通N230分钟左右。最终得到蓝宝石衬底上的红外可见光区高度透明的CuGaO2导电晶膜。本专利技术所制备的CuGaO2为P型宽禁带透明导电半导体材料。根据晶格匹配原理，本专利技术选用蓝宝石做为薄膜生长的衬底材料，退火过程采用两步法，先将薄膜在较低温度下退火使其去掉溶剂以及部分有机物，形成比较稳定的非晶或微晶状态的结构，再在较高温度下快速退火使其完全反应并结晶。两步退火优化了晶膜表面的致密性，快速退火与降温可避免CuGaO2高温下合成反应的逆反应，从而制备出成分较为单一的CuGaO2纳米晶膜，提高了薄膜质量，使其在可见光区和红外光区都有较好的透过率和良好的导电性能。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：[1]本专利技术采用的溶液制备法相比于溶胶凝胶化学合成法，具有工艺简单，前驱体易配置的优点。再者，本专利技术的制备法相比于物理薄膜沉积法，制备成本低，能耗低、无需昂贵设备。[2]溶液配置过程中，Cu与Ga两金属的比例极易调控，通过晶膜中金属比的调控可优化材料的光电特性。而且利用此溶液法进行二价元素的掺杂进行电性优化也非常简便易行。[3]选择在N2氛围中快速退火既避免了其他气体对样品的污染，又可以造成缺氧氛围，帮助二价铜离子向一价转变，提高CuGaO2纳米晶膜的纯度优化薄膜质量。[4]纳米晶膜热处理过程采用两步法，可使薄膜成分先初步形成较为稳定的结构然后再完全反应并结晶，这样避免了直接高温退火导致的铜相关氧化物的流失。附图说明图1实施例1得到的CuGaO2纳米晶膜的XRD图谱。图2实施例2得到的CuGaO2纳米晶膜的XRD图谱。图3实施例2得到的CuGaO2纳米晶膜的AFM图。图4实施例2得到的CuGaO2纳米晶膜的可见光区与红外光区透过率图谱。具体实施方式下面结合附图给出本专利技术较佳实施例，以详细说明本专利技术的技术方案。实施例1：[1]依次用稀硝酸(水:浓硝酸＝9:1)、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗蓝宝石(00l)衬底，每种溶液超声15～20min，超声后的衬底用N2气枪吹干，高温500℃热处理3min。[2]称取1.4552g硝酸镓加入20ml的乙醇中磁力搅拌溶解，完全溶解后溶液是澄清透明的，然后称取0.7985g醋酸铜搅拌至完全溶解，形成稳定的蓝色透明溶液静置待用。[3]利用匀胶机在热处理过的蓝宝石衬底上旋涂，旋涂时间为20s，转速4000r/min。旋涂后的薄膜在300℃空气氛围下快速退火5分钟，可掉溶剂以及部分有机物，形成比较稳定的一层非晶或微晶状态的薄膜，然后再次放在匀胶机上面旋涂，重复低温300℃退火步骤。为了得到适当的薄膜厚度，此步骤重复8次。[4]旋涂完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜镓氧红外透明导电纳米晶膜的制备方法，其特征在于，依次包括铜镓前驱液配置步骤、所述铜镓前驱液的旋涂成膜步骤、成膜后的低温退火步骤、以及高温热处理步骤。

【技术特征摘要】
1.一种铜镓氧红外透明导电纳米晶膜的制备方法，其特征在于，依次包括
铜镓前驱液配置步骤、所述铜镓前驱液的旋涂成膜步骤、成膜后的低温退火步
骤、以及高温热处理步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铜镓前驱液配置步骤，具
体是指将含铜化合物和含镓化合物加入有机溶剂中配成前驱液。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含铜化合物是醋酸铜，所
述含镓化合物是硝酸镓，所述有机溶剂是乙醇胺和乙醇的混合溶液。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述醋酸铜和硝酸镓的摩尔比
为1:1，乙醇胺和醋酸铜的摩尔比为1:4～8。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述醋酸铜和硝酸镓按比例称
量后，先将硝酸镓加入乙醇胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩美杰，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海;31