[發(fā)明專利]常壓等離子體氣相沉積制備納米硅基多孔發(fā)光材料的方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710045785.4
• 申請(qǐng)日: 2007-09-11
• 公開（公告）號(hào): CN101122015A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊沁玉;夏磊;劉磊;徐金洲;郭穎;張菁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/50
• 分類號(hào): C23C16/50;C23C16/22;C23C16/52;C09K11/08
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所
• 代理人: 黃志達(dá);謝文凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在用等離子體氣相沉積的方法制備納米硅基多孔發(fā)光薄膜材料的方法，特別是涉及一種涉及常壓下用等離子體氣相沉積的方法制備納米硅基多孔發(fā)光薄膜材料的方法。

背景技術(shù)

1990年英國科學(xué)家L.T.Canham發(fā)現(xiàn)了多孔硅(Porous?Si：PS)在室溫條件下的光致發(fā)光(Photoluminescence：PL)。Canham發(fā)現(xiàn)多孔硅可以在近紅外和可見光區(qū)輻射強(qiáng)烈的熒光，而且其量子效率達(dá)到1％～10％，而同等條件下單晶硅的量子效率僅為10^-4％，這提高了4～5個(gè)數(shù)量級(jí)的發(fā)光效率立刻引起了世界范圍內(nèi)的轟動(dòng)，使世人看到了實(shí)現(xiàn)Si基材料發(fā)光的新途徑，進(jìn)而開創(chuàng)了Si基發(fā)光材料研究的新局面。

制備多孔硅發(fā)光材料的方法有多種，各種液態(tài)濕法，如電化學(xué)刻蝕法，光化學(xué)腐蝕法，電火花刻蝕法等，都是將硅片放入氫氟酸和其他溶液混合，利用化學(xué)腐蝕法得到的。但該方法存在制備溫度高，對(duì)環(huán)境有污染，發(fā)光波長難以調(diào)節(jié)、不能應(yīng)用于其它基體等缺點(diǎn)，有很大的應(yīng)用局限性。

等離子體氣相沉積方法大都在真空條件下，通過10eV左右的電子能量，使硅烷、氨氣、氮?dú)狻⒀鯕獾葰庀喾肿臃纸狻⒒稀⒓ぐl(fā)和電離，生成各種高活性粒子與基團(tuán)，在基底上沉積得到一層很薄的鑲嵌有數(shù)納米硅晶體的致密薄膜。經(jīng)過一定溫度的退火處理，沉積膜大都表現(xiàn)出一定的熒光特性。如Suendo小組通過硅烷、甲烷與氫氣混合氣體的等離子體沉積，在200℃基片上獲得納米硅晶粒鑲嵌的Si_1-xC_x:H膜，發(fā)出600nm左右熒光。Wang小組通過硅烷、二氧化氮、氫氣的射頻等離子體沉積以及1100℃后處理，獲得760nm橙色熒光；Seo小組通過硅烷、甲烷與氫氣的混合氣體的離子回旋共振等離子體沉積和950℃后處理，獲得碳摻雜的納米鑲嵌的無定型氧化硅膜，發(fā)藍(lán)白色熒光。Cao小組通過硅烷、氮?dú)狻錃饣旌蠚怏w的射頻等離子體，經(jīng)過近10個(gè)小時(shí)的循環(huán)沉積，獲得鑲嵌有1.8nm左右的納米硅的無定型SiN_X膜，發(fā)428nm的藍(lán)紫色熒光。這一氣相等離子體沉積方法因其在制備大面積、低成本、高均勻度薄膜方面的優(yōu)勢(shì)而越來越受到重視。

但是目前的這些研究大都采用高真空等離子體，電子平均自由程大，獲得的納米結(jié)構(gòu)薄膜致密無孔，難以充分發(fā)揮多孔硅納米材料的量子限域效應(yīng)與表面效應(yīng)，并在一定的溫度下退火處理，或者長時(shí)間循環(huán)沉積工藝，難以應(yīng)用于其它基體材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種常壓等離子體氣相沉積制備納米硅基多孔發(fā)光材料的新方法，該方法可以在一種環(huán)境干燥，裝置簡單，操作簡便的接近常壓的設(shè)備中進(jìn)行等離子體氣相沉積，改變等離子體放電參數(shù)和脈沖偏壓的正負(fù)、大小和占空比，調(diào)節(jié)單體與載氣的比例及其流量等，在各種軟硬基片表面獲得具有不同晶粒尺度、孔結(jié)構(gòu)、成分及膜厚的高質(zhì)量的納米硅基多孔薄膜，并具有可調(diào)的熒光發(fā)射波長和增強(qiáng)的發(fā)光效率。

本發(fā)明的常壓等離子體氣相沉積制備納米硅基多孔發(fā)光材料的方法，包括下列步驟：

(1)沉積基片置于立體梳狀電極之下，用機(jī)械泵將反應(yīng)室中的空氣除去；

(2)通過進(jìn)氣口的蓮蓬頭通入混合氣體，調(diào)節(jié)混合氣體流速，控制沉積室氣壓為常壓附近；

(3)反應(yīng)室內(nèi)的氣壓穩(wěn)定后，基板上加脈沖偏壓，調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生器頻率和功率；

(4)放電反應(yīng)后，取出基片，獲得納米硅基多孔發(fā)光薄膜。

所述的沉積基片是指硅片、玻璃片，石英片、聚酯薄膜片、聚丙烯薄膜片、聚酰亞胺薄膜、織物中的一種；

所述的立體梳狀電極是指1-5層平行放置、正負(fù)交錯(cuò)、上下交錯(cuò)的立體梳狀電極，極間、層間距離為1-3mm，電極是直徑0.1-3mm的鎢絲或不銹鋼，表面套上介質(zhì)套管，包括石英管、陶瓷管、聚四氟乙烯管、硅氟橡膠管；

所述的混合氣體包括主要?dú)怏w、次要?dú)怏w、載氣和氫氣，主要?dú)怏w是指含硅的氣體，次要?dú)怏w是含碳或氮?dú)怏w，包括CO₂及乙炔、甲烷等烷、烯、炔類單體或氮?dú)狻薄⑿鈫误w，載氣是惰性氣體，包括氬氣、氦氣等，主、次單體、載氣、氫氣比為：1-5∶0-3∶89-98∶1-3；

所述的混合氣體流速是140sccm(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方升)；

所述的沉積室氣壓為常壓附近是指0.5-2×10⁵Pa；

所述的脈沖偏壓的范圍為-1000V-500V，占空比0.10-0.90；

所述的等離子體發(fā)生器頻率為60-30×10⁴Hz，功率為1W-1000W；

所述的放電時(shí)間范圍為5-20分鐘；