一種氧化鉍薄膜材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氧化鉍薄膜材料的制備方法，該方法以三苯基鉍、氧氣為原料，基于脈沖方式依次進(jìn)源、利用表面吸附化學(xué)反應(yīng)生成氧化鉍薄膜。本發(fā)明具有可在各種襯底上大面積成膜、重復(fù)性好、可控性高等優(yōu)點(diǎn)；所制得的氧化鉍薄膜在光學(xué)涂層、光催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種氧化鉍薄膜材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化鉍薄膜材料的制備方法，是指基于原子層沉積技術(shù)在各種襯底上制備氧化鉍薄膜的方法。
技術(shù)背景
[0002]氧化鉍(Bi2O3)具有高的折射率、大的非線性光學(xué)系數(shù)、超快的光響應(yīng)，在光學(xué)涂層、光催化及光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)使用領(lǐng)域和用途的不同，氧化鉍薄膜需要覆蓋在各種不同的襯底上，并且要求薄膜厚度可控。近來(lái)，人們利用各種方法(脈沖激光沉積、反應(yīng)離子束濺射、化學(xué)氣相沉積等)制備出了氧化鉍薄膜，但現(xiàn)有的各種方法分別存在蒸發(fā)溫度高、無(wú)法大面積成膜等各種問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)在各種襯底上制備大面積厚度精確可控的氧化鉍薄膜。原子層沉積技術(shù)是一種基于表面吸附的自限制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的方法，前驅(qū)體源被載氣依次送入反應(yīng)腔，并在每種源輸送結(jié)束后采用惰性氣體沖洗反應(yīng)腔，僅吸附在襯底表面的前驅(qū)體源得以保留，使反應(yīng)僅發(fā)生在襯底表面，因此薄膜厚度精確可控；由于前驅(qū)體源是以氣體形式送入反應(yīng)腔，因此前驅(qū)體可以很好的附著在各種形狀的襯底上，包括各種高縱深比的結(jié)構(gòu)，因而適合在各種襯底上大面積成膜。原子層沉積技術(shù)的缺點(diǎn)在于每一循環(huán)包括各種源的輸送和清洗過(guò)程，因而耗時(shí)較長(zhǎng)，有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)以三(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酸)鉍為鉍源生長(zhǎng)氧化鉍薄膜，生長(zhǎng)速度僅為0.01納米/循環(huán)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的種種問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種氧化鉍薄膜材料的制備方法。一方面滿足在不同襯底上大面積成膜的要求，另一方面也提高薄膜的生長(zhǎng)速率。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種氧化鉍薄膜材料的制備方法，包括以下具體步驟:
a、原料
原料包括:秘源即三苯基秘(英文名稱為triphenyl bismuth)、氧氣，氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣和沖洗氣體，載氣純度至少為99.999% ；
b、襯底的清洗和安裝
將襯底依次用純凈水及無(wú)水酒精沖洗，用氮?dú)獯蹈桑胖糜跇悠吠斜P(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到I?3hpa ;
c、薄膜材料的制備
對(duì)真空反應(yīng)腔加熱，使反應(yīng)腔中的樣品托盤(pán)和襯底溫度保持在250?320°C ;對(duì)裝有三苯基鉍的源瓶加熱，使其溫度保持在160?320°C，氧氣和氮?dú)獍凑?5: 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤猓狗磻?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在I?3hpa和6?15hpa ;將鉍源及氧源依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進(jìn)行沖洗真空反應(yīng)腔，對(duì)樣品托盤(pán)上的襯底多重循環(huán)生長(zhǎng)，每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)包括以下四個(gè)脈沖:
1、三苯基鉍脈沖0.2?8秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔；
i1、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體2?8秒；
ii1、臭氧脈沖8?20秒；
iv、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體3?8秒；
利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得氧化鉍薄膜，生長(zhǎng)速率為0.023納米/循環(huán)。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于:(I)適合在不同的襯底上大面積成膜；(2)可控性好，利用循環(huán)脈沖次數(shù)可精確控制材料的厚度；(3)薄膜生長(zhǎng)速率顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1為實(shí)施例1所得薄膜的XRD圖；
圖2為實(shí)施例1所得薄膜的AFM圖；
圖3為圖2所不AFM圖的尚度標(biāo)尺圖；
圖4為實(shí)施例1所得薄膜的HRTEM圖。

【具體實(shí)施方式】
[0007]下面將本發(fā)明的氧化鉍薄膜制備工藝作如下的詳細(xì)說(shuō)明:
1)將襯底依次用純凈水及無(wú)水酒精沖洗，用氮?dú)獯蹈?，放置于樣品托盤(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到I?3hpa ;
2)對(duì)真空反應(yīng)腔加熱，使反應(yīng)腔中的樣品托盤(pán)和襯底溫度保持在250?320°C之間；
3)對(duì)裝有三苯基鉍的源瓶加熱，使其溫度保持在160?320°C；
4)氧氣和氮?dú)獍凑?5: 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤?，使反?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在I?3hpa和6?15hpa ；
5)將鉍源及氧源依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進(jìn)行沖洗真空反應(yīng)腔，對(duì)樣品托盤(pán)上的襯底多重循環(huán)生長(zhǎng)，每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)包括以下四個(gè)脈沖:
1、三苯基鉍脈沖0.2?8秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔；
i1、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體2?8秒；
ii1、臭氧脈沖8?20秒；
iv、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體3?8秒。
[0008]實(shí)施例1
1)采用(100)取向的單晶硅襯底，將襯底依次用純凈水及無(wú)水酒精沖洗，用氮?dú)獯蹈?，放置于樣品托盤(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到2hpa ;
2)對(duì)真空反應(yīng)腔加熱，使反應(yīng)腔中的樣品托盤(pán)和襯底溫度保持在300V ；
3)對(duì)裝有三苯基鉍的源瓶加熱，使其溫度保持在1900C ；
4)氧氣和氮?dú)獍凑?5: 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤?，使反?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在3hpa和12hpa ；
5)將鉍源及氧源依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進(jìn)行沖洗真空反應(yīng)腔，對(duì)樣品托盤(pán)上的襯底多重循環(huán)生長(zhǎng)，每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)包括以下四個(gè)脈沖:
1、三苯基鉍脈沖6秒，使用氮?dú)庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔；
i1、氮?dú)鉀_洗腔體5秒；
ii1、臭氧脈沖8秒；
iv、氮?dú)鉀_洗腔體5秒。
[0009]生長(zhǎng)2000循環(huán)，氧化鉍薄膜厚度約46納米。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鉍薄膜材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟: a、原料 原料包括:鉍源即三苯基鉍、氧氣，氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣和沖洗氣體，載氣純度至少為99.999% ； b、襯底的清洗和安裝 將襯底依次用純凈水及無(wú)水酒精沖洗，用氮?dú)獯蹈桑胖糜跇悠吠斜P(pán)上，送入原子層沉積系統(tǒng)或化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的真空反應(yīng)腔，抽真空使真空度達(dá)到I?3hpa ; c、薄膜材料的制備 對(duì)真空反應(yīng)腔加熱，使反應(yīng)腔中的樣品托盤(pán)和襯底溫度保持在250?320°C ;對(duì)裝有三苯基鉍的源瓶加熱，使其溫度保持在160?320°C，氧氣和氮?dú)獍凑?5: 5的體積比混合均勻后，通過(guò)臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧氣體；沉積系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)饣驓鍤?，使反?yīng)腔內(nèi)及中間空間氣壓分別保持在I?3hpa和6?15hpa ;將鉍源及氧源依次通過(guò)管道送進(jìn)真空反應(yīng)腔體，每次送入原料后通入惰性氣體脈沖進(jìn)行沖洗真空反應(yīng)腔，對(duì)樣品托盤(pán)上的襯底多重循環(huán)生長(zhǎng)，每個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)包括以下四個(gè)脈沖: 1、三苯基鉍脈沖0.2?8秒，使用氮?dú)饣驓鍤庾鳛檩d氣輸送到反應(yīng)腔； i1、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體2?8秒； ii1、臭氧脈沖8?20秒； iv、氮?dú)饣驓鍤鉀_洗腔體3?8秒； 利用自限制表面吸附效應(yīng)，制得氧化鉍薄膜，生長(zhǎng)速率為0.023納米/循環(huán)。
【文檔編號(hào)】C23C16/40GK104451600SQ201410726713
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】李亞巍, 喬琦, 褚君浩 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)