一种CsPbI3薄膜的制备方法与流程

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种cspbi3薄膜的制备方法。

背景技术：

近年来，一些钙钛矿结构的半导体材料，由于具有优良的光学吸收和电荷传导特性，成为目前太阳能电池领域的研究热点。相对于有机-无机杂化钙钛矿材料，全无机卤素钙钛矿材料(cspbx3，x＝cl,br,i)化学稳定性较高，且具有极高的荧光量子效率(高达90％)、荧光波长可调且覆盖整个可见光波段、线宽窄等特点，有望应用于新一代显示和照明技术中。此外，全无机钙钛矿材料具有极高的吸收系数，其光吸收能力比其它有机染料高10倍以上；而且它的八面体体系也有利于电子和空穴的传输，使得该材料具有高的载流子迁移率和较长的载流子寿命。

值得注意的是，全无机钙钛矿材料cspbx3作为直接带隙半导体材料，除了具有较高的光吸收系数和优异的载流子传输特性外，其特殊的发光性能长期以来也一直吸引人们的关注。全无机钙钛矿材料一般具有较高的激子结合能，从而表现出强的室温光致发光特性。此外，超低的体缺陷密度也使得钙钛矿材料表现出极高的发光效率。这些优势使得全无机钙钛矿材料在发光二极管、激光器件、场效应晶体管及光电探测器件领域也表现出广阔的应用前景。

目前钙钛矿材料多采用溶液法、旋涂法等化学方法制备，制备出的材料容易出现针孔、裂纹等缺陷，难以获得高质量的钙钛矿薄膜材料。这使得钙钛矿材料在实际应用中存在稳定性差、寿命短等问题，严重影响了钙钛矿光电器件的实际应用。

技术实现要素：

本申请通过提供一种cspbi3薄膜的制备方法，以解决现有技术制备出的cspbi3薄膜质量不高，制备方法复杂等技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种cspbi3薄膜的制备方法，包括如下步骤：

s1：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；

s2：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅衬底表面生长一层cspbi3薄膜；

s3：为了进一步提高薄膜质量和结晶度，将该cspbi3薄膜置于碘蒸气环境下进行退火处理，即在碘蒸气环境下，对cspbi3薄膜再结晶；

s4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。

进一步地，步骤s2中生长的cspbi3薄膜的沉积厚度为100nm～400nm。

进一步地，步骤s2中脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为1×10^-6pa～5×10^-6pa，衬底温度为室温～400℃，激光能量为250mj～350mj，激光频率为5hz～10hz，激光功率为1.25w～3.5w，薄膜生长速度为

进一步地，室温为25℃～30℃。

进一步地，所述靶材为cspbi3靶，该cspbi3靶是利用摩尔比为1:1的csi粉末和pbi2粉末混合研磨均匀后，以40mpa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材。

进一步地，步骤s2的具体为：利用高功率脉冲激光高温刻蚀cspbi3靶，形成等离子羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到单晶硅衬底上成核生长，形成cspbi3薄膜。

进一步地，步骤s3中退火处理的工艺条件为：退火温度范围为90℃～140℃，退火时间为30min～120min。

进一步地，步骤s3中碘蒸气来源于单质碘颗粒，所述单质碘颗粒的浓度为99.5％。

进一步地，步骤s3的具体为：将单质碘颗粒和cspbi3薄膜置于培养皿中，将培养皿密封，并将该培养皿轻轻放于加热板上，使单质碘颗粒升华，使cspbi3薄膜在密封的碘蒸气氛围下退火再结晶。

进一步地，所述靶材与单晶硅衬底之间的距离为5cm。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：

1)该制备方法简单，反应温度低，反应时间短，成本低，适用于工业化生产；

2)该制备方法可以获得大面积均匀致密、结晶质量高且光电性能优异的cspbi3薄膜，满足其在发光材料、太阳能电池等光电器件领域中的应用；

3)该制备方法的制备条件均处于密闭空间内，可以减少碘对环境的污染，是一种环境友好型制备方法；

4)本发明提供的制备方法，利用激光脉冲沉积技术刻蚀靶材(csi粉末和pbi2粉末以摩尔比1：1进行研磨并压制)，在真空条件下制备出大面积均匀的cspbi3薄膜材料，制备工艺与光电器件制备工艺兼容。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为依照本发明实施例制备方法制备的cspbi3薄膜结构的扫描电镜图；

图3为依照本发明实施例制备方法制备的cspbi3薄膜结构的x射线衍射图；

图4为依照本发明实施例制备方法制备的cspbi3薄膜结构的光致发光光谱图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种cspbi3薄膜的制备方法，以解决现有技术制备出的cspbi3薄膜质量不高，制备方法复杂等技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种cspbi3薄膜的制备方法，利用激光脉冲沉积技术刻蚀cspbi3靶材，在真空条件下制备全无机cspbi3钙钛矿薄膜，即将靶材置于脉冲激光沉积系统的真空生长室中，利用高功率脉冲激光来高温刻蚀cspbi3靶材，形成等离子体羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到硅衬底上成核生长，形成cspbi3薄膜。

如图1所示，具体包括如下步骤：

s1：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；

对单晶硅基片进行标准rca清洗，去除其表面的有机物、金属离子杂质及灰尘；

s2：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层cspbi3薄膜；其中，脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为1×10^-6pa～5×10^-6pa，衬底温度为室温～400℃(室温为25℃～30℃)，激光能量为250mj～350mj，激光频率为5hz～10hz，激光功率为1.25w～3.5w，薄膜生长速度为所述靶材为cspbi3靶，该cspbi3靶是利用摩尔比为1:1的csi粉末和pbi2粉末混合研磨均匀后，以40mpa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材，衬底与靶之间的距离为5cm，生长的cspbi3薄膜的沉积厚度为100nm～400nm；

步骤s2的具体为：利用高功率脉冲激光高温刻蚀cspbi3靶，形成等离子羽辉，经过等离子体的绝热膨胀过程，最后定向扩散到单晶硅衬底上成核生长，生长沉积厚度为100nm～400nm的cspbi3薄膜；

s3：为了进一步提高薄膜质量和结晶度，将该cspbi3薄膜置于碘蒸气环境下进行退火处理，即在碘蒸气环境下，对cspbi3薄膜再结晶；其中，退火处理的工艺条件为：退火温度范围为90℃～140℃，退火时间为30min～120min，碘蒸气来源于单质碘颗粒，所述单质碘颗粒的浓度为99.5％，退火过程中使用的反应容器是培养皿；

步骤s3的具体为：将单质碘颗粒和cspbi3薄膜置于培养皿中，将培养皿密封，并将该培养皿轻轻放于加热板上，使单质碘颗粒升华，使cspbi3薄膜在密封的碘蒸气氛围下退火再结晶；

s4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。

下面以生长沉积薄膜厚度为400nm的cspbi3薄膜为例，进一步详细说明，该制备方法：

s1：对单晶硅衬底表面进行标准rca清洗，去除表面的有机物、金属离子杂质及灰尘，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；

s2：采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层cspbi3薄膜；脉冲激光沉积技术的具体工艺条件为：背景真空为5×10^-6pa，衬底温度为25℃，激光能量为250mj，激光频率为5hz，激光功率为1.26w，生长速度为所述靶材为cspbi3靶，该cspbi3靶是利用摩尔比为1:1的csi粉末和pbi2粉末混合研磨均匀后，以40mpa压强制成的直径为1英寸、厚度为5mm的圆柱形靶材，衬底与靶之间的距离为5cm；

s3：将该cspbi3薄膜置于碘蒸气环境下进行退火处理，即在碘蒸气环境下，对cspbi3薄膜再结晶；

首先将称好的0.2g单质碘颗粒置于培养皿中，同时将cspbi3薄膜置于培养皿中，将培养皿密封，并其轻轻放于加热板上，设置加热温度120℃，使单质碘颗粒升华，使cspbi3薄膜在密封的碘蒸气氛围下退火再结晶，反应时间的是30min；

步骤4：生长结束后将样品取出，用去离子水清洗，用氮气吹干。

图2所示为利用扫描电子显微镜表征制备的cspbi3薄膜结构的表面形貌，所制备的薄膜颗粒分布均匀，尺寸大小一致。图3所示为利用x射线衍射仪表征了cspbi3薄膜结构的结晶质量，所制备的样品呈现多晶结构，其中，024方向为cspbi3的优先生长方向。图4所示为利用325nm的激光作为激发光源分析了cspbi3薄膜的光致发光特性，cspbi3薄膜结构的光致发光光谱表现出较强的、中心波长位于650nm的带边发射。

本申请的上述实施例中，通过提供一种cspbi3薄膜的制备方法，包括如下步骤：清洗单晶硅衬底表面，用氮气吹干后，将其置入脉冲激光沉积系统的真空生长室；采用脉冲激光沉积技术刻蚀靶材，在单晶硅表面生长一层cspbi3薄膜；将该cspbi3薄膜置于碘蒸气环境下进行退火处理，即在碘蒸气环境下，对cspbi3薄膜再结晶；生长结束后将样品取出，用去离子水清洗后，用氮气吹干。该制备方法简单，反应温度低，反应时间短，成本低，适用于工业化生产；可以获得大面积均匀致密、结晶质量高且光电性能优异的cspbi3薄膜，满足其在发光材料、太阳能电池等光电器件领域中的应用。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。