一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法，它采用在柔性衬底材料上采用先磁控溅射沉积金属Zn薄膜，再进行硫化处理的方法制备ZnS薄膜，具体步骤如下：选用金属Zn靶作为溅射靶材；对柔性衬底材料进行清洗；利用磁控溅射方法，在柔性衬底上沉积金属Zn薄膜；在硫气氛中对制备的金属Zn薄膜进行硫化处理，使Zn薄膜与硫反应生成柔性衬底ZnS薄膜；本发明适用于不同类型的柔性衬底材料，具有工艺简单、能够有效调节薄膜的组分、成本低廉、适用于大规模生产等优点。
【专利说明】一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电薄膜材料的制备【技术领域】，特别涉及一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]I1-VI族化合物硫化锌(ZnS)薄膜是一种重要的宽带隙半导体材料，其室温直接光学带隙为3.7eV。ZnS薄膜具有介电常数低、光透射率高、化学性能稳定等优点，具有良好的光电、压电、气敏和热电等特性。此外，ZnS薄膜的组成元素Zn和S为无毒元素，且在地壳中含量丰富、价格低廉，使ZnS薄膜成为一种环境友好型半导体。ZnS薄膜在非线性光学器件、显示器件、表面声波器件、太阳能电池、紫外光探测器、半导体激光器、光催化、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
[0003]制备ZnS薄膜时常用刚性的玻璃作为衬底材料，使ZnS薄膜不可弯曲，无法将其安装在不规则物体的表面，限制其应用领域。在柔性衬底上制备的ZnS薄膜，具有材质柔软、可装配在各种物体表面、总厚度薄、质量轻、易于展开、可降低原材料成本、便于携带和运输等优点，可扩展ZnS薄膜的应用领域。迄今为止，可用磁控溅射、蒸发、脉冲激光沉积、溶剂热法、离子束沉积等工艺方法在柔性衬底上制备ZnS薄膜。对于ZnS薄膜在柔性显示器件和太阳能电池等光电领域的应用，需制备具有良好特性的薄膜。磁控溅射法具有薄膜致密度高、均匀性好、薄膜与基片附着性能好、可重复性高等优点，且适用于大规模沉积薄膜。目前，采用磁控溅射法在柔性衬底上制备ZnS薄膜时，选用ZnS靶材作为溅射源材料，但ZnS的溅射速率较低，常用的溅射时间大于I小时，且采用ZnS靶材进行溅射对溅射仪器存在一定的污染。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有柔性衬底ZnS薄膜的磁控溅射制备技术的缺陷，提供一种工艺简单、成本低廉、适用于大规模制备的柔性衬底ZnS薄膜的制备方法。
[0005]本发明提供的一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法，该方法在柔性衬底材料上采用先磁控溅射沉积金属Zn薄膜，再进行硫化处理的方法制备ZnS薄膜，所制备的柔性衬底ZnS薄膜具有(002)晶面的择优取向，具体步骤如下:
(1)选用金属Zn靶作为溅射靶材；
(2)对柔性衬底材料进行清洗；
(3)利用磁控溅射法，在柔性衬底上沉积金属Zn薄膜；
(4)在硫气氛中对步骤(3)制备的金属Zn薄膜进行硫化处理,使Zn薄膜与硫反应生成柔性衬底ZnS薄膜。
[0006]所述步骤(1)中的金属Zn祀纯度高于99.99%。
[0007]所述步骤(2)中的柔性衬底材料采用高分子聚合物或金属箔片；其中高分子聚合物是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；金属箔片是不锈钢片、钛箔、钥箔或铝箔；用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底材料进行超声清洗,再用干燥N2吹干。
[0008]所述步骤(3)中的磁控溅射法采用直流磁控溅射法；将柔性衬底材料装入磁控溅射真空室，将真空室抽真空至本底真空度4.0X10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa，采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒。
[0009]所述步骤(4)中的硫化源材料采用固态硫粉；溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中不通入保护气体，并用机械泵对管式炉进行抽真空，硫化温度为450° C，硫化时间为20~60分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0010] 所述步骤(4)中的硫化过程中通入N2作为保护气体。
[0011]本发明具有的优点和有益效果:
在柔性衬底上磁控溅射沉积Zn薄膜再进行硫化处理制备ZnS薄膜的方法具有工艺简单、能够有效调节薄膜的组分、成本低廉、适用于大规模生产等优点。与采用ZnS复合靶溅射的方法相比，本发明的制备方法采用金属Zn靶进行溅射的沉积速率高于ZnS靶的溅射沉积速率，并可减少溅射镀膜对溅射仪器的污染。此外，本发明可通过调整沉积Zn薄膜的工艺参数和硫化的工艺参数等途径方便地调节柔性衬底ZnS薄膜的结晶结构、光电特性等性能，得到符合所需性能要求的柔性衬底ZnS薄膜。
[0012]
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为实施例1制备的柔性衬底ZnS薄膜的XRD图谱。
[0014]图2为实施例2制备的柔性衬底ZnS薄膜的XRD图谱。
[0015]图3为实施例3制备的柔性衬底ZnS薄膜的XRD图谱。
[0016]图4为实施例4制备的柔性衬底ZnS薄膜的XRD图谱。
[0017]图5为实施例5制备的柔性衬底ZnS薄膜的XRD图谱。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]为进一步说明本发明的内容和特点，通过具体实施例对本发明作进一步的说明，配合附图详细说明如下:
实施例1:
采用不锈钢片作为柔性衬底材料，用丙酮、乙醇、去离子水对不锈钢片衬底进行超声清洗，再用干燥N2吹干，将不锈钢片衬底装入磁控溅射真空室。将真空室抽真空至本底真空度4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa。采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒，溅射过程不进行衬底加热。溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中不通入保护气体，并用机械泵对管式炉进行抽真空，硫化温度为450° C，硫化时间为20分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0020]实施例2:采用聚酰亚胺作为柔性衬底材料，用丙酮、乙醇、去离子水对聚酰亚胺衬底进行超声清洗，再用干燥N2吹干，将聚酰亚胺衬底装入磁控溅射真空室。将真空室抽真空至本底真空度4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa。采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒，溅射过程不进行衬底加热。溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中不通入保护气体，并用机械泵对管式炉进行抽真空，硫化温度为450° C，硫化时间为20分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0021]实施例3:
采用钛箔作为柔性衬底材料，用丙酮、乙醇、去离子水对钛箔衬底进行超声清洗，再用干燥N2吹干，将钛箔衬底装入磁控溅射真空室。将真空室抽真空至本底真空度
4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa。采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒，溅射过程不进行衬底加热。溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中通入N2作为保护气体，硫化温度为450° C，硫化时间为60分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0022]实施例4:
采用不锈钢片作为柔性衬底材料，用丙酮、乙醇、去离子水对不锈钢片衬底进行超声清洗，再用干燥N2吹干，将不锈钢片衬底装入磁控溅射真空室。将真空室抽真空至本底真空度
4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa。采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒，溅射过程不进行衬底加热。溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中通入N2作为保护气体，硫化温度为450° C，硫化时间为60分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0023]实施例5:
采用聚酰亚胺作为柔性衬底材料，用丙酮、乙醇、去离子水对聚酰亚胺衬底进行超声清洗，再用干燥N2吹干，将聚酰亚胺衬底装入磁控溅射真空室。将真空室抽真空至本底真空度
4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa。采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒，溅射过程不进行衬底加热。溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化源材料为固态硫粉，硫化过程中通入N2作为保护气体，硫化温度为450° C，硫化时间为60分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
[0024]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种柔性衬底ZnS薄膜的制备方法，其特征在于:在柔性衬底材料上采用先磁控溅射沉积金属Zn薄膜，再进行硫化处理的方法制备ZnS薄膜，具体步骤如下: (1)选用金属Zn靶作为溅射靶材； (2)对柔性衬底材料进行清洗； (3)利用磁控溅射法，在柔性衬底上沉积金属Zn薄膜； (4)在硫气氛中对步骤(3)制备的金属Zn薄膜进行硫化处理,使Zn薄膜与硫反应生成柔性衬底ZnS薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(1)中的金属Zn靶纯度高于 99.99%ο
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中的柔性衬底材料采用高分子聚合物或金属箔片；其中高分子聚合物是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；金属箔片是不锈钢片、钛箔、钥箔或铝箔；用丙酮、乙醇和去离子水对柔性衬底材料进行超声清洗，再用干燥N2吹干。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中的磁控溅射法采用直流磁控溅射法；将柔性衬底材料装入磁控溅射真空室，将真空室抽真空至本底真空度4.0X 10_4Pa，再通入高纯Ar作为工作气体，Ar流量为20ml/min，通过闸板阀调节工作气压为0.5Pa，采用金属单质Zn靶进行直流磁控溅射，溅射功率为50W，溅射时间为300秒。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(4)中的硫化源材料采用固态硫粉；溅射完成之后，将样品转移至管式炉中进行硫化处理，硫化过程中不通入保护气体，并用机械泵对管式炉进行抽真空，硫化温度为450° C，硫化时间为20~60分钟，硫化结束后样品随炉冷却。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(4)中的硫化过程中通入N2作为保护气体。
【文档编号】C23C14/14GK103981497SQ201410149920
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】许佳雄, 杨元政, 谢致薇, 陈先朝, 何玉定, 曹中明, 辛辅炼, 魏坚烽, 黄俊彬, 温楚雄, 邱莎莎 申请人:广东工业大学