一种ZnO量子点的制备方法

专利名称：一种ZnO量子点的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体纳米材料与器件制备，具体说涉及一种ZnO量子点的制 备方法。
技术背景ZnO作为一种宽禁带半导体有良好的蓝光和紫外光发射性能，高的激子束 缚能和低阈值光泵发射容易实现高效的受激发射。半导体量子点的三维量子效 应，导致体系载流子的有效态密度和能量发生显著变化，具有更大的带隙能量 和更高的激子束缚能，更易于用作紫外半导体发光管和激光器。ZnO量子点的 制备方法主要为湿化学法，但这种方法要求有大量的溶剂、多种工艺步骤和长 的生长时间，而且生长不可控，最近报道了用MOCVD法在Si/Si02衬底上生长 ZnO量子点，还有用脉冲激光法和退火法也得到了 ZnO量子点，但是制备的ZnO 量子点的大小和分布都是随机的，不均匀的量子点的受限能级弥散在一定范围 之内，能量的分散会造成很大的发光展宽，所以目前研制的量子点激光器的性 能远没有达到如理论预言的那么优越。因此提高量子点的尺寸分布的均匀度、 增加有效量子点数目是实现纳米激光器的研究方向。 发明内容本发明的目的是提供一种ZnO量子点的制备方法。ZnO量子点的制备方法首先对衬底进行表面处理，然后在去离子水中用 提拉法形成单层自组装的纳米球，作为制备ZnO量子点所用的模板；接着在 25 10(TC之间、真空度为l(T4~l(r6T0rr的条件下，通过电子束蒸发沉积一层 5nm 50nm厚的ZnO薄膜；最后在甲苯中浸泡并超声振动2~5min把模板中的纳米球去掉即可。所述的衬底为Si时的处理方法为首先用酒精超声波清洗，然后在体积比为 1:1的H2S04+H202混合溶液中煮沸10~30min，接着在体积比为3:1的 NH4OH+H2O2混合溶液中超声振动30 60min，温度为80 10(TC。纳米球的材料 为聚苯乙烯，球的直径为100nm 1000nm。衬底为硅、蓝宝石或导电玻璃。本发明的优点是-1. 本方法制备的ZnO量子点可通过改变模板中所使用的纳米球直径的大小 和沉积的厚度实现可控生长。2. 本方法制备的ZnO量子点提高了量子点尺寸分布的均匀度、增加了有效量子点数目，初步解决了量子点激光器发展的问题。3. 本方法没有使用任何触媒剂，制得的ZnO量子点质量好，再加上尺寸均 匀，所以在PL谱测试中，当量子点的直径达到几十纳米时仍可以观察到明显的 蓝移现象，在尺寸上降低了纳米激光器件的制造难度。4. 发明的制备的ZnO量子点稳定性好， 一个月后测试没有发生变化。5. 发明的ZnO量子点的制备方法设备过程简单，经济有效。


图l(a)为形成的单层自组装纳米球的示意图 图l(b)为电子束蒸发沉积一层ZnO薄膜的示意图 图l(c)为除去小球后形成的ZnO量子点的示意图的侧面图 图l(d)为除去小球后形成的ZnO量子点的示意图的俯视图 图2是单层纳米小球的模板的SEM(场发射扫描电镜)图 图3是在模板上沉积一层ZnO后的SEM图 图4是本制备方法制得的ZnO量子点的SEM图 图5是本发明的ZnO量子点的PL(光致发光谱)谱。
具体实施方式
以下通过实例结合示意图进一步说明本发明ZnO量子点的制备方法，图1为制备过程示意图。 实施例1首先对1 X lcn^大小的(100)面的低掺n-Si片超声波清洗，然后在体积比为 1:1的H2S04+H202混合溶液中煮沸十分钟，接着在体积比为3:1的,0: +11202 混合溶液中超声振动30min，温度为80°C，目的是为了改善衬底的亲水性和表 面的平整度，然后用滴管取2-3滴浓度为10%、直径为600nm的聚苯乙烯纳米 球的悬浊液，滴在己经处理过的硅片表面，静置使小球均匀致密的覆盖整个衬 底，接着把铺满球的衬底慢慢的浸入到去离子水中。这时在衬底和水面上形成 了单层六角密排的小球，为了防止水表面的小球在基板提出来的时候再次沉积 到上面，在去离子水中滴入一两滴十二烷基硫酸钠溶液，改变了水的表面张力， 悬浮于水面的小球迅速散开，然后提出基板，晾干，如图la所示，这样单层自 组装的六方密排的纳米球模板就做好了，图2为单层纳米小球模板的SEM图。其次，如图lb所示，将有模板的衬底固定在载玻片上放入反应室样品架上， 衬底欲沉积表面朝下放置，不对衬底加温，反应室真空度抽至4.5X10《Torr，沉 积过程中，通入02，反应室的气压为3.0Xl(^Torr，沉积时间为4min，厚度为30nm，图3为沉积一层ZnO薄膜后的模板的SEM图。最后把沉积ZnO后的模板放入甲苯中浸泡一个小时后超声振动2min，由于 PS球和衬底之间为分子作用力，而电子束沉积的ZnO和衬底之间为化学键结合， 所以PS球和沉积在球表面的ZnO薄膜振动后被除去，而透过空隙沉积的ZnO 量子点保留了下来，如图lc， d所示，图4为制备的ZnO量子点的SEM图。本发明的ZnO量子点的室温光致发光性能测试，激发光源为波长310nm的 氙灯，紫外发光峰为3.35eV，较ZnO薄膜有明显的蓝移，如图5所示。实施例2首先衬底为lXlcn^大小的、(100)面的低掺n-Si片，对其进行相同表面处 理，使用浓度为10%直径为100nm纳米球的单分散系的悬浊液，同样用提拉法 形成单层自组装的纳米球，作为制备ZnO量子点所用的模板；然后在IO(TC、 真空度为1(^Torr的条件下，通过电子束蒸发沉积一层5nm厚的ZnO薄膜；最 后在甲苯中浸泡并超声振动2min把模板中的纳米球去掉即可。实施例3首先衬底为1Xlcr^大小的、(100)面的低掺n-Si片，对其进行相同表面处 理，使用浓度为10%直径为1000nm的纳米球的单分散系的悬浊液，同样用提拉 法形成单层自组装的纳米球；然后在室温下、真空度为10-4 Torr的条件下，通 过电子束蒸发沉积一层50nm厚的ZnO薄膜;最后在甲苯中浸泡并超声振动5min 把模板中的纳米球去掉即可。
权利要求
1.一种ZnO量子点的制备方法，其特征在于首先在表面处理过的衬底上用提拉法形成单层自组装的纳米球，作为制备ZnO量子点所用的模板；然后在室温～100℃、真空度为10-4～10-6Torr的条件下，通过电子束蒸发沉积一层5nm～50nm厚的ZnO薄膜；最后在甲苯中浸泡并超声振动2～5min把模板中的纳米球去掉即可。
2. 按权利要求1所述的一种ZnO量子点的制备方法，其特征在于所述的衬 底为Si时的处理方法为首先在酒精中超声波清洗，然后在体积比为1:1的 H2S04+H202混合溶液中煮沸10 30min，接着在体积比为3:1的NH4OH+H202 混合溶液中超声振动30 60min，温度为80 100°C。
3. 按权利要求l所述的一种ZnO量子点的制备方法，其特征在于所述的纳 米球为聚苯乙烯球，球的直径为100nm 1000nm。
4. 按权利要求1所述的一种ZnO量子点的制备方法，其特征在于所述的衬 底为硅、蓝宝石或导电玻璃。
全文摘要
本发明公开了一种ZnO量子点的制备方法。它首先对衬底进行表面处理，然后在去离子水中用提拉法形成单层自组装的纳米球，作为制备ZnO量子点所用的模板；接着在25～100℃之间、真空度为10^-4～10^-6Torr的条件下，通过电子束蒸发沉积一层5nm～50nm厚的ZnO薄膜；最后在甲苯中浸泡并超声振动2～5min把模板中的纳米球去掉即可。本发明制备的ZnO量子点生长面积大、排列整齐且尺寸、分布均匀。该制备方法简便经济、可高效的制备出较大范围的有序的ZnO量子点。ZnO氧化物半导体带隙宽、直接能带跃迁并且激子束缚能大，再加上量子点的量子限域效应，使ZnO量子点材料成为高效量子点激光器乃至纳米激光器的希望。
文档编号C09K11/54GK101275073SQ20071007144
公开日2008年10月1日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者叶志镇, 玲 陈, 黄靖云 申请人:浙江大学