[发明专利]一种纳米晶Cu2O薄膜的制备方法

说明书

技术领域

一种纳米晶Cu₂O薄膜的制备方法属于半导体领域。

技术背景

氧化亚铜(Cu₂O)是最早被发现的半导体材料之一，其价格低廉、材料来源广泛而得到越来越多人的认可。Cu₂O是能被可见光激发的P型半导体，其禁带宽度约为1.9～2.2eV。多晶态的Cu₂O稳定性好，可以反复的利用而不容易被氧化成Cu(II)和还原成Cu；其次，Cu₂O无毒性，与环境的相容性好，而且容易获得。因此其是一种应用潜力很大的半导体材料，在超导体、制氢、太阳能电池和电致变色等方面有潜在的应用。尤其是在太阳能电池上，其理论转化效率可达到18％。在风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能等新能源中，太阳能占据90％之多的份额，构成新能源产业量的绝对力量，但是至今为止其光电转换效率较低。据估计，只要达到5％的光电转换效率，Cu₂O在太阳能电池上的应用就会有较高的经济效益。

目前制备Cu₂O薄膜的方法主要有阳极氧化法、热氧化法、溅射法和化学气相沉积法等，但是这些方法成本较高，对设备及其条件的要求较高，而化学浴沉积法工艺简单，成本低，适用于各种异形、非导电或不耐高温衬底的沉积；且在多层膜沉积过程中，不会对衬底上已经沉积的薄膜造成损伤。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种制备工艺简单、能耗低、成膜均匀致密的纳米晶Cu₂O薄膜制备方法。特别适用于形状不规则物件的成膜和批量生产。

本发明提供的纳米晶Cu₂O薄膜的制备方法，它包括以下步骤：

a)在硫酸铜溶液中依次加入抗坏血酸钠、柠檬酸三钠溶液，充分络合并定容；

b)向定容后的溶液中滴加NaOH溶液调节溶液的pH值并放入衬底；

c)将调整好pH值的溶液在特定温度下沉积反应一定时间后，取出冲洗干净后烘干。

所述步骤a)中硫酸铜与柠檬酸三钠的摩尔浓度比范围为12∶6～12∶36，硫酸铜与抗坏血酸钠的摩尔比在1∶4～5∶6范围内。

所述步骤a)中硫酸铜浓度控制在0.06mol/L～0.30mol/L。

所述步骤b)中调整溶液pH值范围为7.0～10.0。

所述步骤c)中溶液的温度范围控制在50℃～95℃。

所述步骤c)反应时间控制在1.0h～3.0h。

该方法采用区别于其它液相制备Cu₂O薄膜的方法(电化学沉积和溶胶-凝胶法)，不但极大的简化了制备工艺，而且对反应条件的要求也相对均较低，适合规模化的生产。

采用Bruker Advance D8X射线粉末衍射仪(Cu Kα辐射，2θ＝20-75°)测定所制备材料的结构。采用Sirion200扫描电子显微镜观察所制备材料的表面形貌。采用Shimadzu UV-3101PC型分光光度计获得样品的透过光谱。

由图1可知，所制备的Cu₂O薄膜为纯的立方结构(JCPDS card No.05-0667)，其中(200)晶面与(111)晶面衍射峰强度变化明显，表明所得到的产物结晶取向性的变化；根据谢乐公式算得(111)衍射峰对应的晶粒尺寸大小为：32nm，35nm，44nm，47nm，分别对应的浓度比为12∶8∶6，12∶12∶6，12∶18∶6，12∶24∶6。由图2可知所得到的产物表面均匀致密，成膜的质量较好；由图3可知，所得到产物的吸收边有明显的红移现象(459nm～478nm)。

附图说明

图1：产物a～f的X射线衍射图；

图2：产物的扫描电镜图；

图3：产物的紫外可见透过光谱图。

具体实施方式

1.按照浓度比12∶8∶6在0.8mol/L的硫酸铜溶液中依次加入配制好的抗坏血酸钠、柠.檬酸三钠溶液，搅拌均匀，络合充分后放入预先清洗活化的衬底，使溶液的体积50ml，调节溶液的pH值为8.8，在80℃的水浴中反应2小时，取出清洗干净后即可得到Cu₂O薄膜(a)。

2.按照浓度比12∶12∶6在0.8mol/L的硫酸铜溶液中依次加入配制好的抗坏血酸钠、柠檬酸三钠溶液，搅拌均匀，络合充分后放入预先清洗活化的衬底，使溶液的体积50ml，调节溶液的pH值为8.8，在80℃的水浴中反应2小时，取出清洗干净后即可得到Cu₂O薄膜(b)。