一种IIB-VIB族半导体/CdS纳米p-n结的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米材料和器件制备方法，具体来说涉及一种IIB-VIB族半导体/CdS纳米p-n结的制备方法。
【背景技术】
[0002]p-n结是现代光电子技术的核心，包括光电探测器、太阳能电池、发光二极管、成像显示等在内的诸多光电子器件都是以P-n结为基础构筑而成。因此，对光电子器件的研宄，离不开p-n结的构筑和应用。近些年来，基于各种材料体系的纳米p-n结的研宄取得了很大的进展，低维半导体纳米P-n结主要包括核壳结构(径向)、轴向结构、交叉结构等等。而核壳纳米p-n结由于其结区面积大等优势被广泛用于纳米光伏器件和光电探测器件，例如其原子级平整的界面使得纳米P-n结具备了高的光电转换效率等。哈佛大学的C.M.Lieber教授就证实了娃纳米线核壳结构具有优异的光伏性能(B.Tian, X.Zheng, T.J.Kempa,Y.Fang，N.Yuj G.Yuj J.Huang, C.M.Lieberj uCoaxial silicon nanowires assolar cells and nanoelectronic power sources，，，Nature 449，885 (2007) )0
[0003]目前制备核壳结构纳米p-n结的方法主要有气相生长法、热蒸发法、溶液法等。例如合肥工业大学揭建胜教授等人所发明了一种利用化学气相沉积一步法合成Si/IIB-VIB族半导体纳米线p-n结的方法(一种一步法合成Si/IIB-VIB族半导体纳米线p_n结的方法，揭建胜，王莉，于永强，吴春艳，彭强，卢敏，任勇斌，201110048502.8，CN 102176410 B);中国科学院理化技术研宄所孟祥敏等发明了一种利用热蒸发制备一维Zn0/Sn02核壳结构纳米异质结半导体材料的制备方法(一维Z η O / S n O2核壳结构纳米异质结半导体材料的制备方法，孟祥敏，黄兴，201210068382.2，CN 102618849 B);美国加州大学伯克利分校的杨培东教授开发出了一种在溶液中进行阳离子交换的方法制备出CdS/Cu2S纳米线核壳结构的方法，并利用此核壳结构制备出了高性能的纳米太阳能电池(Solut1n-processedcore-shell nanowires for efficient photovoltaic cells, Jinyao Tang, ZiyangHuojSarah Brittmanj Hanwei Gao and Peidong Yang， Nature Nanotechnology, 2011， 6 ，9，568-572 )。上述方法虽然制备出了性能优良的核壳结构纳米p_n结，但是它们的制备过程复杂，可控性低，且难以实现大规模的均匀制备。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足之处，旨在提供一种IIB-VIB族半导体/CdS纳米p_n结制备方法。发明所制得的IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构纳米p-n结性能良好、可控性高，可大规模制备；可广泛应用于太阳能电池、光电探测等纳米光电子领域。
[0005]本发明解决技术问题采用如下技术手段:
一种IIB-VIB族半导体/CdS纳米p-n结的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1:将使用化学气相沉积方法合成的磷掺杂P-型IIB-VIB族半导体纳米线生长衬底直接放置于原子层沉积的反应腔内，抽真空，并加热使腔体内温度保持为140-160°C ; 步骤2:以H3CCSNH2 (硫代乙酰胺)粉末和液态Cd (CH3) 2 (二甲基镉)为前驱体，并使用加热套将H3CCSNH2加热至115-125°C，以氮气为载气和净化气:先通入H 3CCSNH2前驱体，在P-型IIB-VIB族半导体纳米线表面形成S的第一单层；然后通入氮气冲洗后由机械泵抽取走残余前驱体和氮气；再通入Cd (CH3)2,在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键；通入氮气冲洗后由机械泵抽取走残余前驱体和氮气，此为一个循环，此循环过程可在P-型IIB-VIB族半导体纳米线表面包裹一个单位的CdS壳层；重复上述循环，在P-型IIB-VIB族半导体纳米线表面形成CdS薄膜。
[0006]步骤3:将所制备的IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构分散至有机溶剂里，采用滴涂法将IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构转移至制备衬底上；
步骤4:把步骤3中的制备衬底表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构一端裸露，再将此衬底放置于电子束镀膜仪中在CdS层外表面沉积Ti电极，最后将所述的制备衬底放置于丙酮溶剂中，光刻胶被分解，得到一端镀钛电极的IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构；
步骤5:再次在制备衬底表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构镀Ti电极的一端覆盖光刻胶，另一端裸露；然后将样品放置于质量比为5%的稀盐酸溶液浸泡刻蚀，通过化学反应:
CdS + 2HC1 = H2S + CdCl2
刻蚀掉IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构裸露一端的CdS壳层，使P-型IIB-VIB族半导体纳米线核裸露，最后重复步骤3中的方式使用光刻机和电子束镀膜仪在裸露的P-型IIB-VIB族半导体一侧沉积Au电极；
步骤6:制备完成，得到带电极的IIB-VIB族半导体/CdS核壳结构纳米p-n结器件。
[0007]优选的:步骤I中的腔体内温度保持为150°C;步骤2中使用加热套将H3CCSNH2W热至120°C。
[0008]优选的:氮气流量为10-20sccm，氮气纯度彡99.9%。
[0009]优选的:循环次数为300-600个循环。
[0010]优选的:所述的有机溶剂为乙醇或异丙醇。
[0011]优选的:所述钛电极和金电极的厚度为50nm。
[0012]优选的:刻蚀时间为180-360S。
[0013]优选的:所述的制备衬底为蓝宝石、氧化硅片或者石英玻璃。
[0014]优选的:所述IIB-VIB族半导体纳米线为ZnSe，ZnS, ZnTe, CdSe, CdS或CdTe。
[0015]本发明的有益效果为:利用原子层沉积方法在P-型IIB-VIB族半导体纳米线表面沉积CdS壳层，能在原子级别上精确控制核壳纳米结构的合成，使得所合成的纳米p-n结界面尖锐、缺陷少，利于在光电子器件应用中的光电转换。使用氮气纯度多99.9%，可有效保证反应腔内的化学反应更充分，杂质更少。循环次数为300-600个循环，可使CdS层沉积厚度达到20-40 nm，此过程可控性高，可以实现大规模制备。钛电极和金电极的厚度为50 nm，可使制备完成的p-n结达到使用正常使用标准(Surface induced negativephotoconductivity i n p-type ZnSe: B i nanowires and their nano-optoelectronicapplicat1ns， Xiwei Zhang, Jiansheng Jiej Zhi Wang, Chunyan Wuj Li Wang, QiangPeng, Yongqiang Yuj Peng Jiang and Chao Xie，J.Mater.Chem., 2011，21，6736)0刻蚀时间为180-360 S，可使质量比5%稀盐酸和CdS壳层反映更充分。器件制备衬底为蓝宝石、氧化硅片或者石英玻璃，使化学反应更稳定，杂质更少。
[0016]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书内容予以实施，以下为本发明的较佳实例并配合附图详细说明如后。本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【附图说明】
[0017]图1为实施例1中原子层沉积法制备的ZnSe/CdS核壳纳米结构扫描电镜示意图。
[0018]图2为实施例1中所制备的ZnSe/CdS核壳纳米结构的能谱图。
[0019]图3为实施例1中所制备的ZnSe/CdS核壳纳米结构的透射电子显微镜图。
[0020]图4为实施例1中所制备的ZnSe/CdS核壳纳米结构的X射线衍射图谱。
[0021]图5为实施例1中在所制备ZnSe/CdS核壳结构的一端沉积50 nm钛电极后的器件俯视示意图。
[0022]图6为实施例1中完成第二次光刻并利用光刻胶保护层保护钛电极一端后的器件俯视示意图。
[0023]图7为实施例1中完成稀盐酸溶液浸泡刻蚀后的器件俯视示意图。
[0024]图8为实施例1中完成第三次光刻和电子束镀膜在裸露ZnSe核一端沉积50 nm金电极后的器件俯视示意图。
[0025]图9为实施例1中所制备的ZnSe/CdS核壳结