一种制备透明Bi2Se3薄膜的方法与流程

本发明涉及一种制备透明bi2se3薄膜的方法，尤其涉及磁控溅射法制备透明bi2se3薄膜的方法。

背景技术：

bi2se3透明薄膜属于va-via族直接带隙无机半导体，其禁带宽度窄、性能稳定、光电转换性能良好，且其具有显著的三阶非线性光学特性、较短的响应时间及较大的非线性光学系数，可以作为非线性光学器件使用。透明bi2se3薄膜在高性能光电器件(全光开关、光探测器、太赫兹激光、波引导、透明电极)和光处理等领域有着广泛的应用前景。人们已经用各种方法制备出透明bi2se3薄膜，比如：分子束外延(mbe)和化学气相沉积法(cvd)。但mbe技术需要高精度的真空泵，设备昂贵、能量消耗大、成本高。而cvd技术的沉积速率较低，参加沉积的余气易燃、易爆或有毒，需要采取防止环境污染的措施；并且对设备还有耐腐蚀的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备透明bi2se3薄膜的方法，该方法可制备大面积的透明bi2se3单晶薄膜，制得的薄膜光学性能好；且其制备过程简单，能耗小，成本低，效率高，可重复性好，适合于工业化生产。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种制备透明bi2se3薄膜的方法，包括以下步骤:

a、溅射沉积：选取石英(sio2)基片或蓝宝石(al2o3)基片作为磁控溅射的衬底，选取纯度为99.999％的bi2se3材料作为磁控溅射的靶材，在基片上溅射沉积一层bi2se3薄膜；

b、后退火处理：将a步沉积有bi2se3薄膜的基片和粒径为0.6mm-1.2mm的硒粒球一起封入气压小于1×10^-2pa的真空石英管中，然后将真空石英管置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行后退火处理，即得透明bi2se3薄膜；

所述的后退火处理的具体操作是：将管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温2-5h，再将真空石英管推入冷水中淬火。

本发明的原理是：通过磁控溅射在石英或蓝宝石基片上沉积一层bi2se3薄膜，再将沉积薄膜的基片和硒粒球一起封入真空石英管中进行后退火处理，使原子在富硒环境中生长、重新排列得到结晶性能良好的透明单晶bi2se3薄膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过磁控溅射的方法在基底上沉积薄膜，再通过特定条件的后退火处理进一步得到结晶良好的bi2se3单晶薄膜。磁控溅射效率高，重复性好，可制备大面积、均匀、纯度高、与基片间的附着力强的薄膜；且该方法可通过控制溅射时间控制薄膜厚度。

二、本发明最高的真空要求仅为10^-4pa数量级，所需的设备为常用的磁控溅射设备和管式炉，制备成本低，可重复性好，适合于工业化生产。

进一步，本发明步骤a的溅射沉积的工艺条件为：靶材到基片的距离为5-7cm，溅射前使真空室的气压小于2×10^-4pa，再通入纯度为99.995％的氩气作为工作气体；溅射时的气压为0.3-0.5pa、衬底温度为300-400℃，溅射功率为50-70w、溅射时间为1-10秒。

这样，可以溅射沉积得到表面平整、致密、与基片结合力强且纯度高的透明薄膜。

进一步，本发明步骤b中硒粒球的质量与基片上沉积的bi2se3的质量之比0.1-0.2：1。

这样，既保证的后退火处理在富硒环境中进行，生成性能良好的bi2se3的薄膜，也避免了硒粒球的浪费，降低了制备成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例一制备的bi2se3薄膜的x射线衍射图谱。

图2是本发明实施例一制备的bi2se3薄膜的30000倍扫描电子显微镜照片。

图3是本发明实施例一制备的bi2se3薄膜的透光性测量曲线。

图4是本发明实施例二制备的bi2se3薄膜的x射线衍射图谱。

图5是本发明实施例二制备的bi2se3薄膜的30000倍扫描电子显微镜照片。

图6是本发明实施例二制备的bi2se3薄膜的透光性测量曲线。

图1、4的纵坐标为衍射强度(intensity)、任意单位(a.u.)；横坐标为衍射角2θ,单位为度(degree)。图3、6的纵坐标为透光率；横坐标为波数。

具体实施方式

实施例一

一种制备透明bi2se3薄膜的方法，包括以下步骤:

a、溅射沉积：选取石英(sio2)基片或蓝宝石(al2o3)基片作为磁控溅射的衬底，选取纯度为99.999％的bi2se3材料作为磁控溅射的靶材，在基片上溅射沉积一层bi2se3薄膜；

溅射沉积的工艺条件为：靶材到基片的距离为7cm，溅射前使真空室的气压小于2×10^-4pa，再通入纯度为99.995％的氩气作为工作气体；溅射时的气压为0.5pa、衬底温度为330℃，溅射功率为70w、溅射时间为3秒。

b、后退火处理：将a步沉积有bi2se3薄膜的基片和粒径为0.6mm-1.2mm的硒粒球一起封入气压小于1×10^-2pa的真空石英管中，然后将真空石英管置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行后退火处理，即得透明bi2se3薄膜；

所述的硒粒球的质量与基片上沉积的bi2se3的质量之比0.1-0.2：1。

所述的后退火处理的具体操作是：将管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温2.5h，再将真空石英管推入冷水中淬火。

图1是本例制得的bi2se3薄膜的x射线衍射图谱图。从图1中可以看出，除基底石英的衍射峰外，所有bi2se3薄膜的特征峰均为(00l)衍射峰，并无其他杂峰，表明在石英基片上生长的bi2se3薄膜有很强的c轴取向和周期性。

图2是本例制得的bi2se3薄膜的30000倍扫描电子显微镜照片。图中可以看出薄膜样品的表面平整、致密、无洞，由此可知此实施例制备出了织构良好，表面致密平整的bi2se3薄膜。

图3是本例制得的bi2se3薄膜的透光性测量曲线，从图中可以看出薄膜样品在该区域的透光性高于90％。

实施例二

一种制备透明bi2se3薄膜的方法，包括以下步骤:

a、溅射沉积：选取蓝宝石(al2o3)基片作为磁控溅射的衬底，选取纯度为99.999％的bi2se3材料作为磁控溅射的靶材，在基片上溅射沉积一层bi2se3薄膜；

溅射沉积的工艺条件为：靶材到基片的距离为5cm，溅射前使真空室的气压小于2×10^-4pa，再通入纯度为99.995％的氩气作为工作气体；溅射时的气压为0.45pa、衬底温度为350℃，溅射功率为60w、溅射时间为5秒。

b、后退火处理：将a步沉积有bi2se3薄膜的基片和粒径为0.9mm的硒粒球一起封入气压小于1×10^-2pa的真空石英管中，然后将真空石英管置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行后退火处理，即得透明bi2se3薄膜；

所述的硒粒球的质量与基片上沉积的bi2se3的质量之比0.1-0.2：1。

所述的后退火处理的具体操作是：将管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温4h，再将真空石英管推入冷水中淬火。

图4是本例制得的bi2se3薄膜的x射线衍射图谱图。从图1中可以看出，除基底蓝宝石的衍射峰外，所有bi2se3薄膜的特征峰均为(00l)衍射峰，并无其他杂峰，表明在蓝宝石基片上生长的bi2se3薄膜有很强的c轴取向和周期性。

图5是本例制得的bi2se3薄膜的30000倍扫描电子显微镜照片。图中可以看出薄膜样品的表面平整、致密、无洞，由此可知此实施例制备出了织构良好，表面致密平整的bi2se3薄膜。

图6是本例制得的bi2se3薄膜的透光性测量曲线，从图中可以看出薄膜样品在该区域的透光性高于90％。

实施例三

一种制备透明bi2se3薄膜的方法，包括以下步骤:

a、溅射沉积：选取石英(sio2)基片作为磁控溅射的衬底，选取纯度为99.999％的bi2se3材料作为磁控溅射的靶材，在基片上溅射沉积一层bi2se3薄膜；

溅射沉积的工艺条件为：靶材到基片的距离为6cm，溅射前使真空室的气压小于2×10^-4pa，再通入纯度为99.995％的氩气作为工作气体；溅射时的气压为0.35pa、衬底温度为380℃，溅射功率为55w、溅射时间为10秒。

b、后退火处理：将a步沉积有bi2se3薄膜的基片和粒径为1.0mm的硒粒球一起封入气压小于1×10^-2pa的真空石英管中，然后将真空石英管置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行后退火处理，即得透明bi2se3薄膜；

所述的硒粒球的质量与基片上沉积的bi2se3的质量之比0.1-0.2：1。

所述的后退火处理的具体操作是：将管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温3.5h，再将真空石英管推入冷水中淬火。

实施例四

一种制备透明bi2se3薄膜的方法，包括以下步骤:

a、溅射沉积：选取蓝宝石(al2o3)基片作为磁控溅射的衬底，选取纯度为99.999％的bi2se3材料作为磁控溅射的靶材，在基片上溅射沉积一层bi2se3薄膜；

溅射沉积的工艺条件为：靶材到基片的距离为6cm，溅射前使真空室的气压小于2×10^-4pa，再通入纯度为99.995％的氩气作为工作气体；溅射时的气压为0.45pa、衬底温度为400℃，溅射功率为60w、溅射时间为1秒。

b、后退火处理：将a步沉积有bi2se3薄膜的基片和粒径为0.7mm的硒粒球一起封入气压小于1×10^-2pa的真空石英管中，然后将真空石英管置于管式炉中，在氩气保护气氛下进行后退火处理，即得透明bi2se3薄膜；

所述的硒粒球的质量与基片上沉积的bi2se3的质量之比0.1-0.2：1。

所述的后退火处理的具体操作是：将管式炉以2℃/min的升温速度升至300℃，保温3.5h，再将真空石英管推入冷水中淬火。