專利名稱：利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電功能材料的制備方法，特別涉及一種利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法。
背景技術(shù)：
目前制備硒化鋅薄膜的工藝方法主要有真空沉積技術(shù)(真空蒸鍍、電子束蒸發(fā)、磁控濺射，分子束外延、激光閃蒸和金屬有機化學(xué)氣相沉積)、化學(xué)水浴等，真空沉積技術(shù)制備硒化鋅薄膜工藝設(shè)備復(fù)雜的和真空條件要求較高，且設(shè)備價格十分昂貴，而化學(xué)水浴的方法又很難獲得比較純的硒化鋅薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種設(shè)備簡單，真空度要求低，薄膜厚度和薄膜納米晶尺度均可通過工藝條件控制的利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的制備方法為取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比秤量混合，然后，將混合物轉(zhuǎn)入高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；將ZnSe納米粉放入石英舟一端的凹槽中，硅片或石英基片放在石英舟的另一側(cè)；再將石英舟置于長度大于管式爐爐體長度1.5倍以上的石英管中，然后，開啟抽氣機當(dāng)抽氣機的負壓表指針讀數(shù)為0.1并穩(wěn)定后，關(guān)閉抽氣機，將氬氣充入石英管中，當(dāng)負壓表讀數(shù)為0.8個大氣壓時再次打開抽氣機，同時關(guān)閉氬氣，直到負壓表指針讀數(shù)為0.1時關(guān)閉抽氣機，上述排除管內(nèi)氧氣的過程重復(fù)三次；將石英管冷端推入管式氣氛爐中，要求5分鐘內(nèi)將石英管內(nèi)放置的ZnSe納米粉末原料升溫到800℃～1000℃，使硅片或石英基片的溫度為160℃-240℃即可在硅片或石英片上得到硒化鋅納米晶薄膜。
本發(fā)明的高能球磨罐及磨球均為碳化鎢材質(zhì)制成。
本發(fā)明利用管式氣氛爐體長度與石英管長之差，待爐體升至預(yù)定溫度后，將石英管冷端推入爐體達到對石英管實驗區(qū)間的快速升溫，并利用氬氣作保護氣體，按本發(fā)明的制備方法制備的薄膜厚度可在50-600納米之間通過調(diào)節(jié)爐體溫度和載氣等工藝條件加以控制，抽氣速度和加載氣速度流量相同，真空度穩(wěn)定，負壓表讀數(shù)可在0.1～0.5的范圍取值；薄膜納米晶大小分布均勻，且納米晶晶粒尺寸可在100-200納米的尺度范圍通過調(diào)節(jié)載氣流速和負壓值來實現(xiàn)。


圖1是按本發(fā)明的制備方法在硅片上生長ZnSe薄膜的XRD圖，橫坐標(biāo)為2θ角，縱坐標(biāo)衍射光強度計數(shù)。
圖2是原子力顯微鏡對圖1中ZnSe薄膜表面形貌的觀測圖，橫坐標(biāo)為掃描區(qū)域水平面坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為垂直高度坐標(biāo)；圖3是圖1中ZnSe薄膜的反射光譜圖，橫坐標(biāo)為入射光波長，縱坐標(biāo)為反射光強；圖4a是含1％的Cr的ZnSe薄膜樣品的EDAX測試結(jié)果圖，圖4b是含0.5％的Cr的ZnSe薄膜樣品的EDAX測試結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為X射線光子能量，縱坐標(biāo)為光的強度；具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例1，首先取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比混合，然后，將混合物轉(zhuǎn)入碳化鎢制成的高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；取ZnSe納米粉0.2克放入石英舟一端的凹槽中；將硅片或石英基片放在石英舟的另一側(cè)距放置ZnSe納米粉的凹槽15厘米到20厘米處；而后將石英舟推入石英管中，推入位置要合適(確保在管式爐體升溫800℃時粉末的溫度在160℃以下，并能利用推進石英管將ZnSe粉末移置爐體正中央)；再后將石英管封蓋，并檢查管式爐石英管氣路各接口處是否接觸緊密，防止漏氣；設(shè)定升溫程序，管式氣氛爐升溫速度可達每分鐘30℃，升溫到800℃(或1000℃)，保溫一小時；在升溫過程中，開啟抽氣機到最大，觀察負壓表讀數(shù)，當(dāng)負壓表指針指到0.1，并且不再運動時關(guān)閉抽氣機；旋轉(zhuǎn)流量計旋鈕到最大流量狀態(tài)，打開氬氣瓶頂針閥門開始對石英管充氣；觀察負壓表讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)到0.8個大氣壓時打開抽氣機，同時關(guān)閉氬氣瓶頂針閥門，直到負壓表指針指到0.1，關(guān)閉抽氣機，上述排除管內(nèi)氧氣的過程重復(fù)三次，以盡可能地排除石英管內(nèi)的氧氣。
為了進一步確保排除石英管內(nèi)的氧氣，需實施對石英管實施吹氬氣排氧過程。即保持抽氣機開啟，調(diào)整流量計旋鈕和頂針閥門，使流量計讀數(shù)保持在量程范圍(1到0.1個大氣壓)內(nèi)，即管內(nèi)處于負壓狀態(tài)，對石英管吹氣排氧20分鐘。
當(dāng)爐體溫度到達設(shè)定溫度800℃(或100℃0)，首先關(guān)閉氬氣瓶頂針，然后等到流量計讀數(shù)為0，負壓表指針指到0.1不再晃動，關(guān)閉抽氣機。再次檢查各接口處是否接觸緊密，觀察負壓表指針是否有變化。
將石英管爐體外一端推入爐體，使石英舟凹槽中的ZnSe粉末正對爐體中央的恒溫區(qū)800℃，而此時基片所在的溫區(qū)溫度大約在160℃到240℃之間。
溫度程序結(jié)束后，反方向?qū)⑹⒐芡瞥觯淮⒐芾鋮s后再次通入氬氣，打開石英管帽取出石英舟，得到沉積硅片或石英玻璃基片上的ZnSe薄膜。
實施例2，首先取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比混合，然后，將混合物轉(zhuǎn)入由碳化鎢制成的高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；在ZnSe納米粉中摻入其質(zhì)量1％-1‰的Cr粉，其它步驟同實施例1，這樣可獲得沉積硅片或石英玻璃基片上的摻Cr的ZnSe薄膜。
實施例3，首先取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比混合，然后，將混合物轉(zhuǎn)入由碳化鎢制成的高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；取ZnSe(或Cr∶ZnSe＝1∶100-1000)納米粉0.2克，放入石英舟一端的凹槽中；將硅片或石英基片放在石英舟的另一側(cè)，距凹15厘米到20厘米處；而后將石英舟推入石英管中，推入位置同實施例1；再后將石英管封蓋，并檢查管式爐石英管氣路各接口處是否接觸緊密，防止漏氣。
啟動升溫程序(每分鐘升溫30℃待溫度達到800℃，保溫一小時)；在升溫過程中，開啟抽氣機到最大，觀察負壓表讀數(shù)，當(dāng)負壓表讀數(shù)為0.1時，并且不再晃動時關(guān)閉抽氣機；旋轉(zhuǎn)流量計旋鈕到最大流量狀態(tài)，打開氬氣瓶頂針閥門開始對石英管充氣；觀察負壓表讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)為0.8時打開抽氣機，同時關(guān)閉氬氣瓶頂針閥門，直到負壓表指針指到0.1，關(guān)閉抽氣機。上述排除管內(nèi)氧氣的過程重復(fù)三次，以盡可能地排除石英管內(nèi)的氧氣。
為了進一步確保排除石英管內(nèi)的氧氣，需實施對石英管實施吹氬氣排氧過程。即保持抽氣機開啟，調(diào)整流量計旋鈕和頂針閥門，使流量計讀數(shù)保持在量程范圍內(nèi)，對石英管吹氣排氧20分鐘。
當(dāng)爐體溫度到達設(shè)定溫度(1000℃)，首先關(guān)閉氬氣瓶頂針，然后等到流量計讀數(shù)為0，負壓表指針指到0.1并不再晃動，關(guān)閉抽氣機。再次檢查各接口處是否接觸緊密，觀察負壓表指針是否有變化。
再次開啟頂針閥門，調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使氣流到量程范圍內(nèi)；將抽氣機調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，觀察負壓表讀數(shù)，待指針快到達預(yù)定讀數(shù)時(如0.02MP)，打開抽氣機電源，并緩慢旋動抽氣機閥門，使進氣和出氣達到平衡，氣壓保持在特定讀數(shù)。
調(diào)節(jié)流量計旋鈕，使流量為預(yù)定值(如0.12m3/h)，然后觀察負壓表氣壓變化情況，如變化明顯，再次調(diào)節(jié)抽氣機閥門，使氣壓穩(wěn)定在預(yù)定值。
反復(fù)調(diào)節(jié)流量計旋鈕和抽氣機閥門最終達到在預(yù)定氣壓狀態(tài)下(如0.02MP)，進氣出氣流量平衡并且使流量計讀數(shù)穩(wěn)定在預(yù)定值(如0.12m3/h)。
將石英管爐體外一端緩慢推入爐體，使石英舟ZnSe(或Cr∶ZnSe＝1∶100-1000)納米粉正對爐體中央的恒溫區(qū)(1000℃)，而此時基片所在的溫區(qū)溫度大約在160℃到240℃之間。
溫度程序結(jié)束后，反方向?qū)⑹⒐芡瞥?；待石英管冷卻后再次通入氬氣，使石英管內(nèi)到達一個大氣壓，打開石英管帽取出石英舟，得到沉積硅片或石英玻璃基片上的ZnSe(或Cr∶ZnSe)薄膜。
參見圖1，按本發(fā)明的制備方法直接對硅基片上生長的ZnSe薄膜進行X-射線衍射分析，可以觀測到閃鋅礦結(jié)構(gòu)的硒化鋅薄膜的晶體衍射峰；參見圖2，利用原子力顯微鏡(AFM)為硒化鋅納米晶薄膜的形貌圖，薄膜表面形貌均勻一致；參見圖3，是利用分光光度計反射附件硒化鋅納米晶薄膜的反射光譜，可以觀測到溝道光譜和帶間吸收光譜；參見圖4，對于摻0.5％鉻和摻1％鉻的兩個樣品，EDAX測試測試結(jié)果能反映摻雜的比例關(guān)系。利用原子力顯微鏡對樣品的表面形貌進行觀測，表明薄膜是由細小的納米晶構(gòu)成的，納米晶構(gòu)尺寸分布非常均勻，約為50納米，且厚度在一定的范圍內(nèi)通過工藝條件(溫度800℃-900℃；真空(負壓表讀數(shù)0.1)或有一定氣壓(負壓表讀數(shù)0.1～0.5，加載氣等)加以控制。利用分光光度計的反射附件可以測量樣品的反射光譜，可以觀測到因干涉產(chǎn)生的溝道光譜和帶間吸收光譜。這些測試結(jié)果表明我們利用管式氣氛爐實現(xiàn)快速升溫的方法制備硒化鋅納米晶薄膜。
權(quán)利要求
1.利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法，其特征在于1)取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比秤量混合，然后，將混合物轉(zhuǎn)入高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；2)將ZnSe納米粉放入石英舟一端的凹槽中，硅片或石英基片放在石英舟的另一側(cè)；3)再將石英舟置于長度大于管式爐爐體長度1.5倍以上的石英管中，然后，開啟抽氣機當(dāng)抽氣機的負壓表指針讀數(shù)為0.1并穩(wěn)定后，關(guān)閉抽氣機，將氬氣充入石英管中，當(dāng)負壓表讀數(shù)為0.8個大氣壓時再次打開抽氣機，同時關(guān)閉氬氣，直到負壓表指針讀數(shù)為0.1時關(guān)閉抽氣機，上述排除管內(nèi)氧氣的過程重復(fù)三次；4)將石英管冷端推入管式氣氛爐中，要求5分鐘內(nèi)將石英管內(nèi)放置的ZnSe納米粉末原料升溫到800℃～1000℃，使硅片或石英基片的溫度為160℃-240℃即可在硅片或石英片上得到硒化鋅納米晶薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法，其特征在于高能球磨罐及磨球均為碳化鎢材質(zhì)制成。
全文摘要
利用管式氣氛爐快速升溫制備硒化鋅納米晶薄膜的方法，取單質(zhì)硒粉和單質(zhì)鋅粉按1∶1的摩爾比混合并轉(zhuǎn)入高能球磨罐中，在氮氣或氬氣保護下球磨，使ZnSe粉末的尺度為5～20納米；將ZnSe納米粉放入石英舟一端的凹槽中，硅片或石英基片放在石英舟的另一側(cè)；再將石英舟置于長度大于管式爐爐體長度1.5倍以上的石英管中，開啟抽氣機排氧并充入氬氣，重復(fù)三次；將石英管冷端推入管式氣氛爐中，要求5分鐘內(nèi)將石英管內(nèi)放置的ZnSe納米粉末原料升溫到800℃～1000℃，使硅片或石英基片的溫度為160℃－240℃即可在硅片或石英片上得到硒化鋅納米晶薄膜。本發(fā)明真空度要求低，薄膜厚度和薄膜納米晶尺度均可通過工藝條件控制。
文檔編號C01B19/00GK1827528SQ20061004179
公開日2006年9月6日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者汪敏強, 霍蕭, 姚熹 申請人:西安交通大學(xué)