一种氮掺杂CuAlO2薄膜的制备方法与流程

本发明涉及半导体光电材料领域，特别涉及一种氮(n)掺杂cualo2薄膜的制备方法。

背景技术：

透明导电氧化物薄膜由于其优良的光电特性在太阳能电池、平面显示、电磁防护罩、功能窗、传感器以及其它光电器件领域有着广泛的应用。目前，大多数透明导电氧化物薄膜呈现n型特性，一般作为单一的光学或者电学薄膜使用，没有真正意义上实现透明光电器件。要制备真正意义上的半导体器件就必须同时能够获得具有较好光电特性的n型和p型材料，两者缺一不可。目前常见的具有优良光电特性的p型薄膜很少，其电阻率一般比n型材料高3-4个数量级。因此很难获得具有较好光电特性的p-n结，制约其在光电器件领域的应用。

cualo2作为宽带隙半导体材料其激子束缚能高达47mev，在蓝光发射器件以及透明电极方面有着广泛的应用前景，同样因其p型材料空穴浓度低、电阻率高，严重制约其实际应用。由于氮具有与氧相近的离子半径，因此是一种有效的p型掺杂剂，利用氮作为受主掺杂元素可以制备高空穴浓度、低电阻率的p型cualo2材料，因此制备氮掺杂cualo2薄膜具有非常重要的意义。

迄今为止，许多研究者运用不同的方法成功地制备出了cualo2粉体，包括固相反应法、离子交换法、水热法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等。以上方法或是对设备要求较高，操作复杂并且成本高，或者就是工艺复杂，周期长等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种氮掺杂cualo2薄膜的制备方法，能够实现在设备要求低、工艺操作过程简单以及成本低的情况下实现cualo2薄膜的氮掺杂。

本发明的目的是提供了一种制备氮掺杂cualo2薄膜的方法。本发明解决其技术问题以及实现发明目的所采用的技术方案为：一种氮掺杂cualo2薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、分析纯的9水合硝酸铝、3水合硝酸铜、二乙醇胺、无水柠檬酸依次加入到乙二醇中，利用磁力搅拌器搅拌24小时得到蓝色混合溶液，所配制溶液中cu²⁺、al³⁺和n^3-的摩尔比为1∶1∶2，将此溶液静置48小时，得到蓝色透明溶液备用。

步骤二、先后利用丙酮和乙醇超声清洗c面蓝宝石10分钟，去离子水冲洗后氮气吹干；然后将吹干的蓝宝石放入160℃的体积比为1∶3磷酸和硫酸溶液中并持续15分钟；冷却后取出蓝宝石，用去离子水冲洗并用氮气吹干备用。

步骤三、利用匀胶机在c面蓝宝石衬底上旋涂溶液a，匀胶机转速设为3000转/分钟，旋涂时间20秒；旋涂后将旋涂过的衬底放入管式炉中并在大气中300℃烘烤10分钟，旋涂和烘烤过程重复8-10次；初步获得含有cu、al、o和n的薄膜。

步骤四、将所得薄膜放到管式炉中利用氮气作为保护气体在1000℃～1100℃下热处理2～3小时，即可得到氮掺杂cualo2薄膜。

由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：可以很容易的获得氮掺杂的cualo2薄膜；对设备要求低、工艺操作简单以及成本低，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所得到的氮掺杂cualo2薄膜的x-射线衍射(xrd)图谱。

图2为本发明所得到的氮掺杂cualo2薄膜中n1s的x-射线光电子能谱(xps)图。

具体实施方式

步骤一、利用高精度电子秤称取9水合硝酸铝、3水合硝酸铜、二乙醇胺、无水柠檬酸放入锥形瓶中，然后加入到乙二醇。利用磁力搅拌器匀速搅拌24小时，得到蓝色溶液。保证配制的溶液中cu²⁺、al³⁺和n^3-的摩尔比为1∶1∶2，将此溶液静置48小时，得到蓝色透明溶液备用。

步骤二、切取1cm×1cm的方形c面蓝宝石晶片，首先利用丙酮超声清洗10分钟，接着用乙醇超声清洗10分钟，最后用大量去离子水冲洗并用氮气吹干

步骤三、配制体积比为1∶3的磷酸和硫酸溶液并利用加热台加热到160℃，然后将吹干好的蓝宝石刚入其中并保持15分钟。等冷却至室温，取出晶片并用大量去离子水冲洗，直到蓝宝石表面无水痕并吹干备用，说明清洗干净。

步骤四、将清洗过的蓝宝石放在匀胶机上，匀胶机转速设为3000转/分钟，旋涂时间设为20秒，将配制好的溶液利用滴管滴到蓝宝石表面，溶液在离心力的作用下均匀的旋涂在蓝宝石上。

步骤五、将管式炉在空气中加热到300℃，接着将旋涂过的蓝宝石放入其中并维持10分钟。

步骤六、取出蓝宝石并冷却至室温，接着重复步骤四和步骤五8-10次，初步获得含有cu、al、o和n的薄膜。

步骤七、利用管式炉对含有cu、al、o和n薄膜进行后热处理。参数设置为：温度为1000～1100℃，升温速率都设置为6℃/分钟，达到热处理温度后维持120～180分钟，接着降温，降温速率设置为10℃/分钟。在升温前先用真空泵对石英管进行抽真空，接着通入氮气保护气体，在热处理过程中氮气流量控制在50ml/分钟，直至降到室温停止供气。最后便可获得氮掺杂的cualo2薄膜。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种氮掺杂CuAlO2薄膜的制备方法。由于未掺杂CuAlO2薄膜的电阻率较高，阻碍其在光电器件领域的应用。本发明通过氮掺杂来有效地改善CuAlO2薄膜的光电特性，对CuAlO2薄膜在光电器件领域的应用有着重要的参考价值。本发明的方法为：配制Cu2+、Al3+和N3‑的摩尔比为1∶1∶2的溶液；利用旋涂工艺在经过磷酸和硫酸混合溶液腐蚀15分钟后的c面蓝宝石衬底上旋涂含有Cu、Al、O和N的薄膜；在氮气气氛中1000℃～1100℃热处理2～3小时即可得到氮掺杂的CuAlO2薄膜。本发明的优点为工艺过程简单以及设备要求低。

技术研发人员：刘卫卫;陈存彪;胡松林
受保护的技术使用者：盐城师范学院
技术研发日：2018.10.01
技术公布日：2019.02.12