一种氧化物/金属核壳结构量子点制造技术

本实用新型专利技术公开了氧化物/金属核壳结构量子点，包括由下至上依次排列的衬底和金属量子点核心以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层；本实用新型专利技术还公开了上述氧化物/金属核壳结构量子点及应用；本实用新型专利技术的制备的氧化物/金属核壳结构量子点具有尺寸可控、分布均匀性好等特点，制备方法具有生长工艺简单，成本低廉的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化物/金属核壳结构量子点
本技术属于半导体光电子器件
，特别涉及一种氧化物/金属核壳结构量子点。
技术介绍
光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。目前，LED大多是基于GaN半导体材料的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，目前的ZnO基器件大都是基于纤锌矿结构c面ZnO。由于纤锌矿结构ZnO沿c轴方向缺乏对称反演中心，正负离子中心不重合而导致强的内建电场，进而产生量子限制斯塔克效应(QCSE)，降低电子和空穴的复合效率，最终损害器件的性能。而有效解决这一问题的途径就是发展非极性ZnO，即a面ZnO(11-20)和m面ZnO(10-10)以及立方ZnO。由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构。然而，非极性ZnO异质结LED的发光效率较低，极大地限制了它的发展。为了促进非极性ZnO的发展，采用一种简单而高效的方法提高非极性ZnO异质结LED的性能显得极为重要。而在ZnO基LED中引入金属量子点(ZnO量子点LED)，是一种提高LED性能的较好的解决方案。金属量子点具有局域表面等离子体激元增强效应，可以有效提高载流子的复合效率，进而大幅提高器件的性能(～10％)。因此，研发非极性ZnO量子点LED具有重要的现实意义。然而目前应用在LED的金属量子点大部分是提前制备好，之后采用旋转涂覆的方法进入LED结构或者是通过水热法制备在纳米柱上。这些方法工艺复杂，工序连续性差，且不利于工业化生产。由此看来，要实现量子点LED的产业化，通过外延的方法实现金属量子点的可控制备是十分必要的。此外，在外延中，金属量子点很有可能起到催化剂的作用，使外延的结果朝着纳米柱发展，而不是预期的薄膜，且金属量子点也会消失。这个问题在量子点LED外延生长也是应当避免的。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺点与不足，本技术的目的在于提供一种可用于LED的氧化物/金属核壳结构量子点，具有尺寸可控、分布均匀性好的优点。本技术的目的通过以下技术方案实现：一种氧化物/金属核壳结构量子点，包括依次排列的金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。优选地，所述氧化物/金属核壳结构量子点包括由下至上依次排列的衬底、金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。进一步优选地，所述衬底包括Si、蓝宝石或掺钇氧化锆。优选地，所述金属量子点包括Ni、Ag、Fe、Mn、Ge、Pt和W量子点中的一种。进一步优选地，所述金属量子点的直径为10-1000nm。优选地，所述金属氧化物壳层的厚度为1-30nm。进一步优选地，所述金属氧化物壳层是金属核心对应的氧化物，包括NiOx，AgO，MnOx，GeOx，PtOx和WOx中的一种。上述氧化物/金属核壳结构量子点的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底的处理：将预处理后的衬底置于真空室中，真空度为5×10-8-9×10-8Pa，在温度为700-1200℃的条件下退火30-120min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；(2)金属超薄薄膜的制备：在温度为200-500℃的高真空条件下，真空度为5×10-7-9×10-6Pa，在经过步骤(1)处理的衬底上沉积一层2-20nm厚的金属薄膜；(3)金属量子点的制备：在温度为500-1100℃的高真空条件下，真空度为5×10-7-9×10-6Pa，对金属薄膜进行退火处理0.5-24h,利用自组装效应形成金属量子点；(4)金属氧化物壳层的制备：在温度为500-1100℃通入0.001-100Torr的氧等离子体的条件下，对金属量子点进行氧化处理1-120min，利用氧化反应在金属量子点外面形成一层均匀的金属氧化物壳层，从而获得了氧化物/金属核壳结构量子点。优选地，步骤(1)的预处理包括将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3-5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干。优选地，步骤(2)中沉积的方法包括热蒸发、等离子体增强化学气相沉积、分子束外延。上述氧化物/金属核壳结构量子点的应用，所述氧化物/金属核壳结构量子点用于制备LED、光电探测器或太阳能电池。本技术的有益效果：(1)本技术适用范围广，可以在多种衬底(如Si、蓝宝石、掺钇氧化锆(YSZ)等)上实现氧化物/金属核壳结构量子点的可控生长，有利于降低生产成本。(2)本技术制备氧化物/金属核壳结构量子点可以起到类似图形化蓝宝石衬底的作用，能够促进薄膜的横向生长，有利于后续生长高质量低缺陷的ZnO薄膜，有望极大的提高了LED的发光效率。(3)本技术制备的氧化物/金属核壳结构量子点可以有效保护金属量子点，且保证外延生长朝着薄膜的方向进行，有利于实现薄膜LED器件。附图说明图1是实施例1的氧化物/金属核壳结构量子点的截面示意图(a)和SEM图(b)；图2是实施例4的LED器件结构的截面示意图；图3是实施例5的光电探测器结构的截面示意图；图4是实施例6的InGaN太阳能电池器件结构的截面示意图。具体实施方式下面结合实施例，对本技术作进一步地详细说明，但本技术的实施方式不限于此。实施例1一种氧化物/金属核壳结构量子点的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底的处理：将P型衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗5min，去除P型衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干，将P型衬底置于真空室中，真空度为8.6×10-8Pa，在温度为700℃的条件下退火30min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；(2)金属超薄薄膜的制备：在温度为250℃的高真空条件下，真空度为4×10-6Pa，采用热蒸发法在经过步骤(1)处理的P型衬底上沉积一层3nm厚的Pt超薄薄膜；(3)金属量子点的制备：在温度为800℃的高真空条件下，真空度为8.4×10-6Pa。对Pt超薄薄膜进行退火处理0.5h,利用自组装效应形成直径约为250nm的Pt金属量子点核心；(4)金属氧化物壳层的制备：在温度为700℃通入0.004Torr的氧等离子体的条件下，对Pt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化物/金属核壳结构量子点，其特征在于，包括依次排列的金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。

【技术特征摘要】
1.一种氧化物/金属核壳结构量子点，其特征在于，包括依次排列的金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。2.根据权利要求1所述的氧化物/金属核壳结构量子点，其特征在于，包括由下至上依次排列的衬底、金属量子点以及包覆金属量子点的金属氧化物壳层。3.根据权利要求2所述的氧化物/金属核壳结构量子点，其特征在于，所述衬底包括Si、蓝宝石或掺钇氧化锆。4.根据权利要求1或2所述的氧化物/金属核壳结构量子点，其特征在于，所述金属量子点包括Ni、Ag...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨为家，赵志诚，陈岩，刘铭全，刘俊杰，刘均炎，何鑫，唐秀凤，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：新型
国别省市：广东,44