亚稳态AlZnO固溶合金薄膜激光烧蚀制作方法与流程

本发明涉及一种亚稳态AlZnO固溶合金薄膜激光烧蚀制作方法，属于光学功能材料技术领域。

背景技术：

ZnO是一种具有优良光电特性的Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，束缚激子能高达60meV，在400～800nm波段具有高达90％以上的透射率，而对紫外光有强烈吸收，非常适用于短波长发光器件。室温ZnO薄膜光致发光谱(PL谱)包括380nm的本征紫外峰和520nm的黄绿光波段展宽峰，它们与导带和价带间跃迁复合发光、激子复合发光以及能带和缺陷能级或者各缺陷能级之间的跃迁发光等密切相关。利用ZnO材料的可见光高透射率和宽禁带，可用来制作太阳能电池的窗口材料、低损耗光波导器件等。另外，ZnO基薄膜的发光性能和电子辐射稳定特性使其作为一种很好的单色场发射低压平面显示器件材料，并且，在紫外发光二极管、激光二极管等光电器件领域具有广阔应用前景。利用ZnO材料的低阻特性，可用作电极材料，如太阳能电池透明电极、液晶元件电极等。在此基础上，将Al₂O₃掺入到ZnO中能够有效改善带隙、提高电导率、增加透明性。因此，Al_xZn_1-xO薄膜更适合于透明导电薄膜、紫外探测等。

现有脉冲激光沉积法(PLD)特别适用于沉积复杂氧化物薄膜。采用该方法制备AlZnO固溶合金薄膜时，将ZnO和Al₂O₃陶瓷靶以及基片放置于真空室内，真空室气压小于10^-6Torr，加热基片，脉冲激光快速蒸发靶材，在基片上沉积生成AlZnO固溶合金薄膜。然而，在该方法中，陶瓷靶的制备本身就相当困难，而且制备过程是在高真空的苛刻条件下进行，同时由于Al₂O₃导电性能差的原因，很难起辉放电，难以成膜。

技术实现要素：

为了简化AlZnO固溶合金薄膜的制作方法，我们发明了一种亚稳态AlZnO固溶合金薄膜激光烧蚀制作方法。

本发明之亚稳态AlZnO固溶合金薄膜激光烧蚀制作方法属于一种Sol-Gel法，其特征在于，确定Al_xZn_1-xO中的x的值为：0＜x＜1，按所述x的值确定乙酸锌和乙酸铝的摩尔比，将所述乙酸锌和乙酸铝溶于有机溶剂，加入与锌离子和铝离子等物质量的乙醇胺，搅拌后得溶胶液；将所述溶胶液旋涂于基片上，低温热处理得凝胶膜；采用激光烧蚀所述凝胶膜，激光功率为5～30W，烧蚀时间为1～1000sec，激光光源出光口与凝胶膜之间的距离为1～50cm，得亚稳态AlZnO固溶合金薄膜。

本发明其技术效果在于，采用激光烧蚀含有锌离子和铝离子的凝胶，在激光的超快高温加热作用以及高光压作用下，凝胶中的锌离子、铝离子和氧离子在短时间内发生结晶，形成高质量的亚稳态AlZnO固溶合金薄膜，这一过程不会因铝离子的量的大小而发生改变，因此，所得亚稳态AlZnO固溶合金薄膜中铝的固溶量任意。由于最终产物为氧化物薄膜，而氧化物比较稳定，因此，本发明之方法既不需要真空环境，也不需要特殊的保护气氛，工艺条件比较宽松。相比于现有脉冲激光沉积法，不需要制作ZnO和Al₂O₃陶瓷靶，制作方法因此大为简化。

附图说明

图1～图3分别是以硅片、石英玻璃片、蓝宝石片为基片经激光烧蚀后生成的Al_0.25Zn_0.75O固溶合金薄膜XRD图。图4是以蓝宝石片为基片经激光烧蚀后生成的Al_0.25Zn_0.75O固溶合金薄膜的透过率曲线图。

具体实施方式

本发明之亚稳态AlZnO固溶合金薄膜激光烧蚀制作方法具体由以下步骤构成。

1、基片的选用及清洗

选用硅片、石英玻璃片或者蓝宝石片作为基片，不论选用硅片还是选用石英玻璃片或者蓝宝石片作为基片，均能获得合格的AlZnO固溶合金薄膜，如图1～图3所示；用去油清洗剂在超声波清洗器中清洗所述基片10min，除去油污；之后用盐酸在超声波清洗器中清洗基片10min，除去难溶物质；再用无水乙醇在超声波清洗器中清洗基片10min，除去可溶于有机溶剂的杂质；最后用去离子水在超声波清洗器中反复清洗基片，去除前述步骤中的残留物。在干燥箱中干燥基片。

2、溶胶液的配制

确定Al_xZn_1-xO中的x的值为：0＜x＜1，按所述x的值确定乙酸锌和乙酸铝的摩尔比，将所述乙酸锌和乙酸铝溶于有机溶剂，如乙醇、乙二醇甲醚或者聚乙烯醇，加入与锌离子和铝离子等物质量的乙醇胺，在50～70℃温度下搅拌1～2h后，得透明均质溶胶液。

3、凝胶膜的制备

将所述基片吸附于旋涂机的旋涂台上，基片的集合中心位于旋涂台的轴线上；用胶头滴管将所述溶胶液滴加到基片上；基片随旋涂台在500rpm的转速下旋转10sec，再在3000rpm的转速下旋转30sec，在基片上形成一层湿凝胶膜，得湿膜基片；在50℃温度下加热所述湿膜基片5～10min，再在恒温干燥箱中先后在180℃和150℃温度下干燥5～10min，使湿凝胶膜中的溶剂充分挥发，得凝胶膜。

为了增厚凝胶膜，重复本步骤若干次即可。不过，随着重复次数的增加，凝胶膜的缺陷也会随之增多。

4、亚稳态AlZnO固溶合金薄膜的制作

采用激光烧蚀所述凝胶膜，激光功率为5～30W，烧蚀时间为1～1000sec，激光光源出光口与凝胶膜之间的距离为1～50cm；当凝胶膜尺度在直径1cm以下时，将激光光束扩束到光斑具有同样尺度的程度，照射烧蚀凝胶膜；当凝胶膜尺度在直径1cm以上时，将激光光束聚焦在凝胶膜表面，扫描烧蚀凝胶膜；在激光烧蚀过程中，基片温度为室温，在空气气氛中、常压气压下进行；得亚稳态AlZnO固溶合金薄膜，该亚稳态AlZnO固溶合金薄膜在可见光波段具有高达80％以上的透射率，如图4所示，是一种理想的透明导电膜。

下面举例说明本发明之方法。

例1：选用石英玻璃片作为基片；用去油清洗剂在超声波清洗器中清洗所述基片10min；之后用盐酸在超声波清洗器中清洗基片10min；再用无水乙醇在超声波清洗器中清洗基片10min；最后用去离子水在超声波清洗器中反复清洗基片；在干燥箱中干燥基片。以A.R.纯的乙酸锌、乙酸铝、乙醇为原料配制溶胶液。确定Al_xZn_1-xO中的x的值为0.75，乙酸锌与乙酸铝的摩尔比为1:4，将乙酸锌和乙酸铝溶解于15ml的乙醇中，配制成Al²⁺、Zn²⁺总浓度为0.8mol/L的溶液，再加入与Al²⁺及Zn²⁺等物质的量的乙醇胺作为络合剂，在60℃温度下搅拌1.5h后，得透明均质溶胶液。将所述基片吸附于旋涂机的旋涂台上，基片的集合中心位于旋涂台的轴线上；用胶头滴管将所述溶胶液滴加到基片上；基片随旋涂台在500rpm的转速下旋转10sec，再在3000rpm的转速下旋转30sec，在基片上形成一层湿凝胶膜，得湿膜基片；在50℃温度下加热所述湿膜基片5min，再在恒温干燥箱中先后在180℃和150℃温度下干燥5min，使湿凝胶膜中的溶剂充分挥发，得凝胶膜，凝胶膜尺度为直径1cm。采用激光烧蚀所述凝胶膜，激光功率为5W，烧蚀时间为1000sec，激光光源出光口与凝胶膜之间的距离为15cm；将激光光束扩束到光斑具有与凝胶膜同样尺度的程度，照射烧蚀凝胶膜；在激光烧蚀过程中，基片温度为室温，在空气气氛中、常压气压下进行；得亚稳态Al_0.75Zn_0.25O固溶合金薄膜。

例2：选用石英玻璃片作为基片；用去油清洗剂在超声波清洗器中清洗所述基片10min；之后用盐酸在超声波清洗器中清洗基片10min；再用无水乙醇在超声波清洗器中清洗基片10min；最后用去离子水在超声波清洗器中反复清洗基片；在干燥箱中干燥基片。以A.R.纯的乙酸锌、乙酸铝、乙二醇甲醚为原料配制溶胶液。确定Al_xZn_1-xO中的x的值为0.5，乙酸锌与乙酸铝的摩尔比为1:1，将乙酸锌和乙酸铝溶解于20ml的乙二醇甲醚中，配制成Al²⁺、Zn²⁺总浓度为1.0mol/L的溶液，再加入与Al²⁺及Zn²⁺等物质的量的乙醇胺作为络合剂，在50℃温度下搅拌2h后，得透明均质溶胶液。将所述基片吸附于旋涂机的旋涂台上，基片的集合中心位于旋涂台的轴线上；用胶头滴管将所述溶胶液滴加到基片上；基片随旋涂台在500rpm的转速下旋转10sec，再在3000rpm的转速下旋转30sec，在基片上形成一层湿凝胶膜，得湿膜基片；在50℃温度下加热所述湿膜基片5min，再在恒温干燥箱中先后在180℃和150℃温度下干燥5min，使湿凝胶膜中的溶剂充分挥发，得凝胶膜，凝胶膜尺度为直径1cm。采用激光烧蚀所述凝胶膜，激光功率为10W，烧蚀时间为10sec，激光光源出光口与凝胶膜之间的距离为5cm；将激光光束扩束到光斑具有与凝胶膜同样尺度的程度，照射烧蚀凝胶膜；在激光烧蚀过程中，基片温度为室温，在空气气氛中、常压气压下进行；得亚稳态Al_0.5Zn_0.5O固溶合金薄膜。

例3：选用硅片、石英玻璃片或者蓝宝石片作为基片；用去油清洗剂在超声波清洗器中清洗所述基片10min；之后用盐酸在超声波清洗器中清洗基片10min；再用无水乙醇在超声波清洗器中清洗基片10min；最后用去离子水在超声波清洗器中反复清洗基片；在干燥箱中干燥基片。以A.R.纯的乙酸锌、乙酸铝、聚乙烯醇为原料配制溶胶液。确定Al_xZn_1-xO中的x的值为0.25，乙酸锌与乙酸铝的摩尔比为4:1，将乙酸锌和乙酸铝溶解于25ml的聚乙烯醇中，配制成Al²⁺、Zn²⁺总浓度为1.5mol/L的溶液，再加入与Al²⁺及Zn²⁺等物质的量的乙醇胺作为络合剂，在70℃温度下搅拌1h后，得透明均质溶胶液。将所述基片吸附于旋涂机的旋涂台上，基片的集合中心位于旋涂台的轴线上；用胶头滴管将所述溶胶液滴加到基片上；基片随旋涂台在500rpm的转速下旋转10sec，再在3000rpm的转速下旋转30sec，在基片上形成一层湿凝胶膜，得湿膜基片；在50℃温度下加热所述湿膜基片5min，再在恒温干燥箱中先后在180℃和150℃温度下干燥5min，使湿凝胶膜中的溶剂充分挥发，得凝胶膜，凝胶膜尺度为直径2cm。采用激光烧蚀所述凝胶膜，激光功率为20W，烧蚀时间为20sec，激光光源出光口与凝胶膜之间的距离为50cm；将激光光束聚焦在凝胶膜表面，扫描烧蚀凝胶膜；在激光烧蚀过程中，基片温度为室温，在空气气氛中、常压气压下进行；得亚稳态Al_0.25Zn_0.75O固溶合金薄膜。