CN102260907B - 一种ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法，先在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；然后将Zn粉、ZnO粉、石墨和掺杂源混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室抽真空，源材料加热到550～650℃，向反应室通入Ar或N₂为载气，O₂为反应气体，保温生长下层ZnO纳米棒阵列；停止通入气体，继续升温至850～950℃，通入载气和O₂，保温生长上层ZnO纳米棒阵列，形成ZnO纳米同质p-n结阵列。本发明方法仅由一次升温过程完成，简单易行，可实现不同掺杂的ZnO纳米同质p-n结阵列，同质结高度一致，性能优异，尺寸均一，分布均匀，有利于提高ZnO纳米器件的特性。

Description

一种ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法

技术领域

  本发明涉及ZnO纳米阵列的制备方法，尤其涉及一种ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法。

背景技术

ZnO是一种典型的半导体光电材料，特别是一种理想的短波长发光器件材料。为制备ZnO基光电器件，如发光二极管、激光器、探测器等，人们需要生长各种类型的同质结，如同质p-n结、同质p-p结、同质n-n结等。相对于异质结而言，同质结具有晶格失配小、器件效率高等优点。目前，基于ZnO薄膜材料的同质结研究很多，也容易制备，但是基于ZnO纳米材料的同质结却比较难以制备。ZnO具有丰富多彩的纳米结构形态，特别是一维纳米材料，如纳米棒、纳米线、纳米管等。ZnO纳米光电器件的研究备受关注，基于此，ZnO纳米同质结也得到越来越多的研究。目前ZnO纳米同质结阵列也有少数报道，但都是采用不同的设备分步生长或者采用特殊的手段间隔生长，工艺复杂，操作困难，且可重复性不好。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法。

本发明的ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法，该ZnO纳米同质结阵列包括衬底，在衬底上自下而上依次有ZnO薄膜，下层ZnO纳米棒阵列和上层ZnO纳米棒阵列，制备步骤如下：

1）在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；

2）将纯Zn粉、纯ZnO粉、纯石墨和掺杂源按质量比1:2:1:0～0.3混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至低于10Pa，源材料加热到550～650℃，向反应室通入Ar或N₂为载气，O₂为反应气体，载气与O₂的流量比为100:1.5～100:3.5，保温，生长下层ZnO纳米棒阵列；停止通入气体，继续升温至850～950℃，以100:0.5～100:1.5的流量比通入载气和O₂，保温，生长上层ZnO纳米棒阵列，形成ZnO纳米同质p-n结阵列。

上述的衬底为蓝宝石、石英、硅或氧化锌片。

所述的掺杂源可以为三磷酸钠、氯化钠、焦磷酸钠等钠盐。

所述的Zn粉、ZnO粉和石墨的纯度均为分析纯。

本发明方法可以通过选择掺杂源材料实现不同掺杂的ZnO纳米同质p-n结阵列。

ZnO纳米同质p-n结阵列制备制备过程中，在550～650℃的温度下，ZnO粉和石墨不参加反应，生长原材料为Zn粉，得到下层ZnO纳米棒阵列；在850～950℃的温度下，Zn粉耗尽，生长原材料为ZnO粉和石墨，得到上层ZnO纳米棒阵列；掺杂源材料根据其自身性质选择在550～650℃或850～950℃的温度下参与反应，实施ZnO纳米材料的掺杂。

上、下层ZnO纳米棒阵列的长度由保温时间决定。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1）ZnO纳米同质p-n结阵列的生长采用水平管式炉设备，仅由一次升温过程完成，生长设备简单，工艺简单，易于操作，可重复性好，可实现工业大规模生产；

2）在由低温（550～650℃）生长阶段向高温（850～950℃）生长阶段的升温过程中，先行生长的下层ZnO纳米棒阵列会很好地处于“激活”状态，有利于后续上层ZnO纳米棒在前述生长的下层ZnO纳米棒上沿长度方向继续生长，从而形成ZnO纳米同质p-n结阵列。

3）ZnO纳米同质p-n结阵列结晶质量好，尺寸均一，分布均匀，同质结高度一致，性能优异，有利于提高ZnO纳米器件的特性。

附图说明

图1是本发明所用的水平管式炉设备示意图。图中，1为气体通入口；2为气体排出口；3为原材料；4为石英舟；5为衬底；6为水平管式炉。

图2是ZnO纳米同质结阵列的结构示意图。图中，7为上层ZnO纳米棒阵列；8为下层ZnO纳米棒阵列；9为ZnO薄膜； 5为衬底。

图3是ZnO纳米同质结阵列的扫描电镜（SEM）图。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

1）以单晶硅片为衬底，由磁控溅射方法预先在衬底上沉积一层厚度为300nm的（002）取向ZnO薄膜；

2）将纯度均为分析纯的Zn粉、ZnO粉、石墨和三磷酸钠按质量比1:2:1:0.2混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至5Pa，源材料加热到550℃，向反应室通入N₂为载气，O₂为反应气体，N₂与O₂的流量比为100:2，保温30分钟，生长下层掺杂ZnO纳米棒阵列p型层；停止通入气体，继续升温至950℃，以100:1的流量比通入N₂和O₂，保温30分钟，生长上层本征ZnO纳米棒阵列，形成ZnO纳米同质p-n结阵列。最后随炉冷却至室温，取出产品。其SEM图如图3所示。由图可见，制得的ZnO纳米同质p-n结阵列尺寸均一，分布均匀，同质结高度一致，性能优异，有利于提高ZnO纳米器件的特性。

实施例2：

1）以单晶硅片为衬底，由磁控溅射方法预先在衬底上沉积一层厚度为300nm的（002）取向ZnO薄膜；

2）将纯度均为分析纯的Zn粉、ZnO粉、石墨和焦磷酸钠按质量比1:2:1:0.05混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至5Pa，源材料加热到550℃，向反应室通入N₂为载气，O₂为反应气体，N₂与O₂的流量比为100:2，保温30分钟，生长下层本征ZnO纳米棒阵列；停止通入气体，继续升温至950℃，以100:1的流量比通入N₂和O₂，保温30分钟，生长上层掺杂ZnO纳米棒阵列p型层，形成ZnO纳米同质p-n结阵列。

Claims (2)

1.一种ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法，其特征在于该ZnO纳米同质结阵列包括衬底（10），在衬底上自下而上依次有ZnO薄膜（9），下层ZnO纳米棒阵列（8）和上层ZnO纳米棒阵列（7），制备步骤如下：

1）在衬底上沉积一层（002）取向的ZnO薄膜；

2）将纯Zn粉、纯ZnO粉、纯石墨和掺杂源按质量比1:2:1:0.2或1:2:1:0.05混合作为源材料，放入一端开口的石英舟的密闭端一侧，将衬底置于石英舟的开口端一侧，石英舟放置在水平管式炉反应室中，石英舟开口端处于气流的下方向，反应室真空度抽至低于10Pa，源材料加热到550～650℃，向反应室通入Ar或N₂为载气，O₂为反应气体，载气与O₂的流量比为100:1.5～100:3.5，保温，生长下层ZnO纳米棒阵列；停止通入气体，继续升温至850～950℃，以100:0.5～100:1.5的流量比通入载气和O₂，保温，生长上层ZnO纳米棒阵列，形成ZnO纳米同质p-n结阵列；上述的掺杂源为三磷酸钠、氯化钠或焦磷酸钠。

2.按权利要求1所述的ZnO纳米同质p-n结阵列的制备方法，其特征在于所述的衬底为蓝宝石、石英、硅或氧化锌片。

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