CN106191797A - 一种择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于，包括：在室温下，直流反应磁控溅射设备中，以铜靶作为阴极溅射靶，以氩气作为溅射气体，氧气作为反应气体，石英基底作为阳极，在以一定速率自转的石英基底上溅射一定时间得到氧化亚铜薄膜。所述氧气和氩气的工作气压为10‑2‑10‑1Pa；所述一段时间为5min；所述一定速率为5r/min；所述一定时间为5‑30min。本发明方法制备的氧化亚铜薄膜具有单一相，择优取向明显，实现了制备氧化亚铜薄膜时(111)轴和(200)轴择优取向的可调谐转换。另外，本发明方法所制备的氧化亚铜薄膜沉积速率高、可控性强、附着性好，性能优异，尤其在异质结太阳能电池、光电器件等领域有潜在的应用价值。

Description

一种择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法
技术领域
本发明是一种择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，属于薄膜技术领域。
背景技术
目前，氧化亚铜(Cu2O)作为一种典型的直接带隙半导体材料，越来越得到人们的广泛关注。氧化亚铜的光学带隙范围为2.10-2.60eV，处于太阳能发电的最佳能隙(1.5-3.0eV)中，理论上光电转换效率为20％，具有优异的光电性能，在异质结太阳能电池、光电器件等领域有潜在的实用价值。
制备氧化亚铜薄膜的方法有很多种，如热蒸发法、溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、分子束外延法、电子束蒸发法、真空蒸发法等。但是已报道的这些方法所制备的氧化亚铜薄膜往往会有铜、氧化铜等杂质成分的存在，因而难以获得单一相的氧化亚铜薄膜，最关键的是，目前仍没有关于氧化亚铜薄膜(111)轴和(200)不同择优取向的可调谐转换的报道，因此关于氧化亚铜薄膜不同择优取向的可调谐转换的生长机理的深入研究，在半导体材料领域具有重大意义。
中国发明专利申请公布号CN 104911567 A(发明名称“一种溶胶凝胶法制备p型氧化亚铜薄膜材料的方法”)公开了一种氧化亚铜薄膜的制备方法，生产成本低，操作简单，但仍然具有以下缺陷：1)溶胶配置过程不易控制，且溶胶需陈化一周，耗时费力；2)所制备的氧化亚铜薄膜出现多种晶相，影响薄膜的质量；3)旋涂基片的过程中容易污染基片，影响薄膜成膜质量。该方法未制备出单一相的氧化亚铜薄膜，并且也未实现氧化亚铜薄膜不同择优取向的可调谐转换。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，该方法制备的氧化亚铜薄膜具有单一相，能够实现氧化亚铜薄膜的(111)轴和(200)不同择优取向的可调谐转换。
本发明提供了一种择优取向可调谐的氧化亚薄铜薄膜的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤一，在室温下，采用清洗剂对石英基底进行清洗；
步骤二，将铜靶作为阴极溅射靶，石英基底作为阳极共同置于真空室中，向真空室中通入工作气体；
步骤三，对所述铜靶进行一段时间的预溅射得到预溅射靶材；
步骤四，将预溅射靶材通过直流磁控在以一定速率自转的石英基底上进行一定时间的溅射获得择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜；
步骤五，将薄膜冷却至室温，得到氧化亚铜薄膜，
其中，工作气体工作气压为10-2～10-1Pa；
一段时间为5min；
一定速率为5r/min；
一定时间为5～30min。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，阴极溅射靶材为纯度99.99％以上的金属铜。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，工作气体为氧气和氩气，溅射气体氩气的纯度为99.95％，反应气体氧气的纯度为99.99％。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，清洗剂中含有阴离子表面活性剂的溶液和有机溶剂。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，真空室的真空度为6.0×10-4Pa及以上。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，一定时间为5min，氧化亚铜薄膜为(111)单一相氧化亚铜薄膜。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，一定时间为10min，氧化亚铜薄膜为(111)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
本发明的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，还可以具有这样的特征，一定时间为15min，氧化亚铜薄膜为(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
发明的作用与效果
根据本发明涉及的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，制备的氧化亚铜薄膜具有单一相，并且择优取向明显，实现了制备氧化亚铜薄膜时的(111)轴和(200)不同择优取向的可调谐转换。另外，本发明的方法所制备的氧化亚铜薄膜沉积速率高、可控性强、附着性好，具有优异的性能，尤其在异质结太阳能电池、光电器件等领域有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中(111)单一相、(111)轴择优取向、(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜的示意图；以及
图2是本发明实施例中的所制备的氧化亚铜薄膜的XRD射线衍射图谱。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，通过以下实施例结合附图对本发明择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法作具体阐述。
实施例1
在室温下，采用直流反应磁控溅射的方法，在直流反应磁控溅射设备中，以铜靶作为阴极溅射靶，以氩气作为溅射气体，以氧气作为反应气体，溅射气体氩气为20sccm，反应气体氧气为10sccm，以石英基底作为阳极，对铜靶进行的5min预溅射得到预溅射靶材，在以5r/min自转的石英基底上通过直流磁控对预溅射靶材溅射5～30min得到氧化亚铜薄膜。
具体的操作步骤如下：
1.先采用含有阴离子表面活性剂的清洗剂对石英基底进行预清洗，然后再采用丙酮、酒精和去离子水等清洗剂依次对石英基底进行超声波清洗；
2.将纯度为99.99％的铜靶作为阴极溅射靶，将石英基底作为阳极与真空室相连；然后将超声波清洗后的石英基底安装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与铜靶材之间；
3.使真空室的真空度在不小于6.0×10-4Pa，再向真空室内通入纯度99.95％氩气和纯度为99.99％氧气，保持真空室内的工作气压为0.8Pa；
4.打开活动挡板，预先对铜靶溅射5min，以除去其表面的氧化物和杂 质；
5.得到预溅射靶材后，在以5r/min的速率自转的的石英基底上溅射5min，溅射完毕后关闭活动挡板，在石英基底上生成(111)单一相的氧化亚铜薄膜。
实施例2
在室温下，采用直流反应磁控溅射的方法，在直流反应磁控溅射设备中，以铜靶作为阴极溅射靶，以氩气作为溅射气体，以氧气作为反应气体，溅射气体氩气为20sccm，反应气体氧气为10sccm，以石英基底作为阳极，对铜靶进行的5min预溅射得到预溅射靶材，在以5r/min自转的石英基底上通过直流磁控对预溅射靶材溅射5～30min得到氧化亚铜薄膜。
具体的操作步骤如下：
1.先采用含有阴离子表面活性剂的清洗剂对石英基底进行预清洗，然后再采用丙酮、酒精和去离子水等清洗剂依次对石英基底进行超声波清洗；
2.将纯度为99.99％的铜靶作为阴极溅射靶，将石英基底作为阳极与真空室相连；然后将超声波清洗后的石英基底安装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与铜靶材之间；
3.使真空室的真空度不小于6.0×10-4Pa，再向真空室内通入纯度为99.95％氩气和纯度为99.99％氧气，保持真空室内的工作气压为0.8Pa；
4.打开活动挡板，预先对铜靶溅射5min，以除去其表面的氧化物和杂质；
5.得到预溅射靶材后，在以5r/min的速率自转的石英基底上溅射10min，溅射完毕后关闭活动挡板，在石英基底上生成(111)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
实施例3
在室温下，采用直流反应磁控溅射的方法，在直流反应磁控溅射设备中，以铜靶作为阴极溅射靶，以氩气作为溅射气体，以氧气作为反应气体，溅射气体氩气为20sccm，反应气体氧气为10sccm，以石英基底作为阳极，对铜靶进行的5min预溅射得到预溅射靶材，在以5r/min自转的石英基底上通过直流磁控对预溅射靶材溅射5～30min得到氧化亚铜薄膜。
具体的操作步骤如下：
1.先采用含有阴离子表面活性剂的清洗剂对石英基底进行预清洗，然后再采用丙酮、酒精和去离子水等清洗剂依次对石英基底进行超声波清洗；
2.将纯度为99.99％的铜靶作为阴极溅射靶，将石英基底作为阳极与真空室相连；然后将超声波清洗后的石英基底安装在基底夹具上，活动挡板置于基底夹具与铜靶材之间；
3.使真空室的真空度不小于6.0×10-4Pa，再向真空室内通入纯度为99.95％氩气和纯度为99.99％氧气，保持真空室内的工作气压为0.8Pa；
4.打开活动挡板，预先对铜靶溅射5min，以除去其表面的氧化物和杂质；
5.得到预溅射靶材后，在以5r/min的速率自转的石英基底上溅射15min，溅射完毕后关闭活动挡板，在石英基底上生成(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
图1是本发明实施例中(111)单一相、(111)轴择优取向、(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜的示意图。
如图所示，图1a表示(111)单一相氧化亚铜薄膜的示意图；
图1b表示(111)轴择优取向氧化亚铜薄膜的示意图；
图1c表示(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜的示意图；
图2是本发明实施例制备得到的氧化亚铜薄膜的XRD射线衍射图谱。
如图所示，样品S1的图谱仅在(111)轴处出现明显峰值，表示制备得到的氧化亚铜薄膜为单一相(111)轴氧化亚铜薄膜。
样品S2的图谱在(111)轴出现的峰值明显高于(200)轴处的峰值，S2表示制备得到的氧化亚铜薄膜为(111)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
样品S3的图谱在(200)轴出现的峰值明显高于(111)轴处的峰值，表示制备得到的氧化亚铜薄膜为(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
实施例的作用与效果
根据本发明涉及的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，制备的氧化亚铜薄膜具有单一相，并且择优取向明显，实现了制备氧化亚铜薄膜时的(111)轴和(200)轴不同择优取向的可调谐转换。另外，本发明的方法所制备的氧化亚铜薄膜沉积速率高、可控性强、附着性好，具有优异的性能，尤其在异质结太阳能电池、光电器件等领域有潜在的应用价值。
以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种择优取向可调谐的氧化亚薄铜薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，在室温下，采用清洗剂对石英基底进行清洗；
步骤二，将铜靶作为阴极溅射靶，所述的石英基底作为阳极共同置于真空室中，向真空室内通入工作气体；
步骤三，对所述铜靶进行一段时间的预溅射得到预溅射靶材；
步骤四，将所述预溅射靶材通过直流磁控在以一定速率自转的所述石英基底上进行一定时间的溅射获得所述择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜；
步骤五，将薄膜冷却至室温，得到氧化亚铜薄膜，
其中，所述工作气体工作气压为10-2～10-1Pa；
所述一段时间为5min；
所述一定速率为5r/min；
所述一定时间为5～30min。
2.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，所述阴极溅射靶材为纯度99.99％以上的金属铜。
3.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，工作气体为氧气和氩气，溅射气体氩气的纯度为99.95％，反应气体氧气的纯度为99.99％。
4.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，清洗剂中含有阴离子表面活性剂的溶液和有机溶剂。
5.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，所述真空室的真空度为6.0×10-4Pa及以上。
6.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，所述一定时间为5min，所述氧化亚铜薄膜为(111)单一相氧化亚铜薄膜。
7.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，所述一定时间为10min，所述氧化亚铜薄膜为(111)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
8.根据权利要求1所述的择优取向可调谐的氧化亚铜薄膜的制备方法，其特征在于：
其中，所述一定时间为15min，所述氧化亚铜薄膜为(200)轴择优取向氧化亚铜薄膜。
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