[发明专利]一种量子点为前驱制备近化学计量CdS薄膜的热蒸发法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种以富元素镉(Cd)的硫化镉(CdS)量子点为前躯体，在室温衬底上原位制备近化学计量的CdS薄膜的一种热蒸发方法。

背景技术

随着能源的日益紧缺，新能源的开发与利用已成为人们的研究热点问题。太阳能是一种洁净而取之不竭的新能源。太阳能电池是一种直接应用太阳能的器件。CdS是一种常见的半导体材料，它具有约2.4eV宽的直接带隙。较宽的带隙可允许大部分可见光通过，光电导效应及高的电子亲和力，使得CdS成为光电器件中一种较好的窗口层及过渡层材料。

目前，通常使用不同的技术来制备具有较好结晶性及均衡化学计量比的CdS薄膜。这些制备技术主要包括化学浴沉积(CBD)法、喷涂热分解法、化学气相沉积法(CVD)、电化学沉积法、磁控溅射法、物理气相沉积法以及热蒸发法。在这些制备技术中，热蒸发法以及以溶液为基础的方法具有操作便捷，成本低等优点而适用于大规模可重复制备均匀CdS薄膜。在上述两种制备方法中，以溶液为基础的制备技术通常不可避免地引入一些特定的杂质进入薄膜。比如，来自反应溶液的化合物或来自前驱体的含氢或含氧的化合物等。尽管热蒸发技术可以在根本上避免上述杂质，但由于前驱体的组成元素之间具有不同的饱和蒸气压，这就导致通过传统热蒸发技术来获得近化学计量的半导体薄膜还是有一定难度的。例如，CdS化合物中，元素Cd的饱和蒸汽压比元素S的饱和蒸汽压小。因此，在室温衬底下，采用商业CdS粉末作为前驱体来热蒸发制备CdS薄膜，这通常会导致所制备的CdS薄膜缺乏Cd元素。然而，半导体器件的性能往往与薄膜的化学计量密切相关，具有均衡化学计量的CdS薄膜更适合光伏应用。另外，在室温衬底上制备薄膜有很多应用，比如以有机薄膜为衬底制作相应器件时，有机物是不能抵御高温的。此外，当为各种光电器件蒸镀顶端电极时也不宜对已有器件进行加热。

为了在室温衬底上热蒸发具有均衡化学计量的CdS薄膜，我们可以采取几个方案。第一，应用闪蒸技术。它是通过将粉状的前驱体输运到热的瓷舟上进行快速蒸发，这就需要一些额外的机械设备来分散前驱体。另一种方案是应用多源共蒸发技术。它是通过调整每个蒸发源的温度，用元素Cd和元素S代替CdS化合物作为前驱体来控制CdS薄膜的化学计量，因此这种蒸发技术需要更多的设备来精确控制各个蒸发源的温度。实际上，在低温衬底上构建富Cd元素CdS化合物作为单源前驱体来蒸发CdS薄膜是最便捷的策略。但要获取富含Cd元素的前驱体，现有的方法需要采用粉状CdS，并且需将CdS粉末在800℃的氢气流里加热，这就又增加了制备过程的复杂度。

现有制备方法存在缺陷，需要改进。

发明内容：

本发明所要克服的问题是在CdS化合物中，因为S元素的蒸汽压比Cd元素的大，在室温衬底上，若以商用的CdS粉末为前躯体，应用传统热蒸发法制备的CdS薄膜往往S元素的含量高而导致薄膜的化学计量比失衡。其中，商用的CdS粉末往往是化学计量比较为平衡的CdS体材料。在本发明提供一种简单易行的方法来合成富Cd元素的CdS量子点(QDs)来代替CdS粉末作为前驱体，在室温衬底上热蒸发制备CdS薄膜。另外，CdS QDs聚集成块不需要额外的仪器进行分散，聚集成块的CdS QDs相互作用较弱这将在本质上加速热蒸发进程。这与闪蒸或传统的热蒸发的情况不同，闪蒸或传统的热蒸发需要分散的CdS粉末作为前驱体，而我们所用的前驱体不需要进行分散处理。在本发明中，应用CdS QDs为前驱体，通过一种单源热蒸发过程，有效地恢复了所制备的CdS薄膜的化学计量。

本发明所要解决的问题是：提供一种以富元素Cd的CdS QDS为前躯体，在室温衬底上原位制备近化学计量的CdS薄膜的热蒸发法。

本发明对要解决的问题所采取的技术方案是：

一种量子点为前驱制备近化学计量CdS薄膜的热蒸发法，其特征在于，在室温衬底上，应用富Cd元素的CdS量子点(QDs)为前躯体材料，通过热蒸发法原位制备近化学计量的CdS薄膜。首先，把清洗后的衬底放在热蒸发仪真空室的样品架上(Emitech，K950X)。把合适尺寸的前驱体，0.1-0.3g，放在W篮里关闭该室。在室温下，把该室抽成1.0×10^-3-1.0×10^-5mbar的真空，通过调整穿过W篮的电流来控制蒸发速度。首先，电流从0A缓慢增加到6-10A，然后等待直到W篮变成红色。然后，电流进一步增至13-20A并保持5-10s，最后，降低电流为0A来完成整个蒸发过程。