[發明專利]一種鹵素摻雜ZnMgO薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710165933.X
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106927688A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 戴英;樂志凱;李毛勸;裴新美;陳文
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C03C17/00
• 分類號: C03C17/00;C01G9/00;H01L41/18;H01L41/37;H01L41/39
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 唐萬榮

技術領域

本發明屬于低維納米材料領域，尤其是通過鹵素摻雜ZnMgO薄膜及其制備方法。

背景技術

纖鋅礦結構的ZnMgO是一種具有壓電和光電特性的的直接帶隙寬禁帶半導體材料，具有標準的六方纖鋅礦結構。作為一種典型的發光材料，在藍綠光、紫外光等短波長發光源方面具有明顯的優勢，可以用來制備多種發光器件，如平面光波導、透明電極、紫外光探測器、紫外發光器件等。但是，隨著科技的發展，人們對器件的應用要求不斷提高，ZnMgO在應用方面的許多不足也日益顯現，如激子束縛能不夠大、帶隙不夠寬等。ZnMgO不但具有與氧化鋅相似的晶體結構和光學性質，而且其能帶結構可在一定范圍內隨意改變。近年來，Mg通過合金化得到的ZnMgO材料引起了人們廣泛地關注。根據Mg固溶度的不同所形成的Zn_1-xMg_xO合金的禁帶寬度可以在3.37-7.8eV之間連續可調。研究表明，通過合金化得到的ZnMgO后壓電系數增大。作為一種三元晶體材料，ZnMgO具有良好的光學、壓電、光敏、氣敏、光催化、電導等特性。

ZnMgO的性能受Mg固溶度大小的影響，當原料中Mg含量越多，Mg含量會受限于金屬元素的固溶度。考慮到這個因素，我們可以采用非金屬元素摻雜對ZnMgO進行改性。鹵族元素作為ZnMgO的摻雜劑，它們的摻雜替代了ZnMgO中O的位置。由于的能帶結構中，價帶主要是由O的2p軌道組成，當Ⅶ族元素離子以替位形式占據格點時主要是對價帶產生微擾，而對導帶電子的擾動較小，也就是對電子遷移的散射作用相對較小，這樣有利于蕕得遷移率較高的摻雜薄膜。由于鹵素與O原子之間有較大的電負性和尺寸差異，可以預見，壓縮或拉伸晶格應變，將會極大的影響ZnMgO的壓電性能。

但是，目前比較有效的實現非金屬摻雜較多的使用磁控濺射法、化學氣相沉積法等。這些方法一般需要在真空環境下或者高壓環境下完成，其制備工藝水平較高，重復性不高其成本昂貴。溶膠凝膠法是一種可以在不同襯底上制備薄膜材料并只需相對較低的溫度，其制備方法簡單。由于溶膠凝膠法中所用的原料首先被分散到溶劑中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的時間內獲得分子水平的均勻性，在形成凝膠時，反應物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合。由于經過溶液反應步驟，那么就很容易均勻定量地摻入一些元素，實現分子水平上的均勻摻雜。通過溶膠凝膠法實現鹵素摻雜ZnMgO薄膜，其實質是金屬離子和非金屬離子的共同引發的晶格應變能改變材料的性質，其有著廣泛的應用前景，有望得到具有壓電性能的薄膜材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種鹵素摻雜ZnMgO薄膜及其制備方法，該方法制備環境溫和，成本低，可靠性高并且工藝簡單，該方法有望得到具有壓電性能的薄膜材料。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：一種鹵素摻雜ZnMgO薄膜(一種壓電薄膜)，其特征在于由如下步驟得到：

(1)將襯底分別浸入丙酮、無水乙醇、去離子水中，然后用超聲清洗機超聲15～35min并用紅外燈烘干；所述襯底為Si片或者石英玻璃片；

(2)將二水乙酸鋅及鎂源加入溶劑中，所述溶劑為乙二醇甲醚或正丙醇，穩定劑采用乙醇胺，在55～80℃下攪拌1～2h，得到溶液；然后將NH₄X或NaX加入溶液中，其中X代表鹵素，在55～80℃下攪拌2～3h，得到溶膠；

(3)將步驟(1)中處理過的襯底放置甩膠機的臺子上，將步驟(2)中的溶膠使用甩膠機，然后在2000～5000rpm速率下旋轉30s～60s，使得溶膠在襯底上均勻分布，并在150～300℃下將溶膠烘干；

(4)然后帶有溶膠的襯底放置甩膠機的臺子上，將步驟(2)中的溶膠使用甩膠機，2000～5000rpm速率下旋轉30s～60s，使得溶膠在襯底上均勻分布，150～300℃下將溶膠烘干；多次循環本步驟，得到生長有薄膜的襯底；

(5)將步驟(4)中生長有薄膜的襯底放入熱處理爐中退火，退火溫度為400～700℃，保溫時間為0.5～3h；然后冷卻至室溫，得到鹵素摻雜ZnMgO薄膜。

上述一種鹵素摻雜ZnMgO薄膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)將襯底分別浸入丙酮、無水乙醇、去離子水中，然后用超聲清洗機超聲15～35min并用紅外燈烘干{襯底的的預處理。主要目的是徹底去除表面的灰塵、油污等，以增強襯底與薄膜之間的附著能力}；所述襯底為Si片或者石英玻璃片；