一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應用
【專利摘要】本發明公開了一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應用。該方法是將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學裝置中恒流放電處理后，放于800～1000℃、10～30atm的高壓氧氣氣氛中退火處理20～28小時，得到所述高電阻率單晶氧化鋅。該方法采用電化學方法結合退火處理，只需要簡單的兩個步驟即可獲得超高電阻率的單晶ZnO晶片，得到的ZnO晶片電阻率高達1011 ohm cm。而且，本發明的制備方法新穎、操作簡單，成本低，可重復性高，具有很好的推廣應用前景。
【專利說明】
一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應用
技術領域
[0001]本發明屬于輻射探測器技術領域。更具體地，涉及一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]半導體核輻射探測器的研究已經經歷了半個多世紀的時間。其在核科學、天文學、宇宙物理、核能利用、工業自動化、核電站、核醫學成像、反恐防恐和環保監測等眾多領域得到了廣泛的應用。
[0003]目前，由于器件工藝的成熟，基于硅、鍺為代表的第一代半導體材料已經發展了較為成熟的探測器件制備技術。但是，無論硅還是鍺都因其較窄的帶隙而對環境溫度敏感、抗輻射能力弱，因而將其裝備到強輻照環境下工作的系統中受到較大的限制。另一方面，對于化合物半導體，如II1-V族化合物GaAs、InGaAs、GaN，I1-VI族化合物CdTe、CdZnTe，VI1-B族二元鹵族化合物HgI2、PbI2、TlBr以及它們的三元化合物HgCdTe等，這些材料大多數都存在熔點低、易分解、抗輻照能力弱的缺點，基于其所搭建器件性能的穩定性及可靠性難以保證，這些問題大大限制了相關輻射探測器件的廣泛應用。
[0004]比之相比，具有更強抗輻照能力、更寬帶隙、更高的擊穿電場強度等優異特性的ZnO寬禁帶半導體材料逐漸受到關注，但是，如何獲得高電阻率從而強烈抑制暗電流噪聲以便獲得高信噪比的高電阻率單晶ZnO，一直是阻礙其在輻射探測領域應用的重要阻礙。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是克服現有技術中難以獲得高電阻率單晶ZnO的缺陷和技術不足，提供一種輻射或光電探測器件級高電阻率單晶ZnO的制備方法。該方法采用電化學方法結合退火處理即可獲得超高電阻率的單晶ZnO晶片，制備方法新穎、操作簡單，成本低，可重復性高。
[0006]本發明的目的是提供一種高電阻率單晶氧化鋅的制備方法。
[0007]本發明另一目的是提供所述方法制備得到的高電阻率單晶氧化鋅。
[0008]本發明的再一目的是提供所述高電阻率單晶氧化鋅的應用。
[0009]本發明上述目的通過以下技術方案實現:
一種高電阻率單晶氧化鋅的制備方法，包括如下步驟:
51.將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學裝置中，恒流放電處理，實現鋰在ZnO單晶中的注入；
52.將步驟SI處理過的ZnO單晶放于600?1000°C、5?30atm的氧氣氣氛爐中退火處理10?28小時，進行鋰金屬的去除處理，即可得到高電阻率ZnO單晶片。
[0010]其中，步驟SI和步驟S2的操作順序必須嚴格控制，先進行步驟SI，再進行步驟S2。
[0011]步驟SI中，利用鋰與ZnO天然化學位能的差異，采取可控的放電過程，實現鋰在ZnO中的高效注入。
[0012]步驟SI所述的單晶ZnO晶片為低阻尚質量單晶ZnO晶片。
[0013]優選地，步驟SI所述金屬鋰電化學裝置內的電解液為0.5?1.5M LiPF6溶液分散于體積比為2?5: 2?4: 2?4的碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液，采用Celgard 2400聚乙烯多微孔膜做為電子隔膜。
[0014]更優選地，步驟SI所述金屬鋰電化學裝置內的電解液為IMLiPF6溶液分散于體積比為4:3:3的碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液。
[0015]作為一種優選的可實施方案，步驟SI所述金屬鋰電化學裝置為鋰電池殼。使用時，將ZnO晶片放于商用的鋰電池結構中恒流放電處理。
[0016]優選地，步驟SI所述將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學裝置中的方法具體是按照如下順序將單晶ZnO晶片裝配到鋰電池殼中:正級殼、單晶ZnO晶片、聚乙烯多微孔膜、金屬鋰片、閃電極、彈簧電極、負極殼，外圈是絕緣套層。
[00? 7 ] 優選地，步驟SI所述恒流放電處理是I?4uA恒流放電處理10?25小時。
[0018]優選地，步驟SI所述恒流放電處理是3uA恒流放電處理15小時。
[0019]另外，優選地，步驟SI所述的單晶ZnO晶片的大小為10厘米見方。
[0020]優選地，步驟SI所述的單晶ZnO晶片的厚度為0.2?0.5毫米。
[0021 ] 更優選地，是當單晶ZnO晶片的厚度為0.2毫米時，3uA恒流放電處理1小時；當單晶ZnO晶片的厚度為0.3毫米時，3uA恒流放電處理15小時；單晶ZnO晶片的厚度為0.5毫米時，3uA恒流放電處理25小時。
[0022]優選地，步驟S2是將步驟SI處理過的ZnO單晶放于800?900°C、15?25atm的氧氣氣氛爐中退火處理22?26小時。
[0023]更優選地，步驟S2是將步驟SI處理過的ZnO單晶放于800°C、20atm的高壓氧氣氣氛爐中退火處理24小時。
[0024]另外，由上述方法制備得到的高電阻率單晶氧化鋅，以及所述高電阻率單晶氧化鋅在制備輻射探測器件或光電探測器件方面的應用，也都在本發明的保護范圍之內。
[0025]本發明具有以下有益效果:
本發明提供了一種輻射或光電探測器件級高電阻率單晶ZnO的制備方法，該方法采用電化學方法結合退火處理，只需要簡單的兩個步驟即可獲得超高電阻率的單晶ZnO晶片，得到的ZnO晶片電阻率高達111 Qcm。
[0026]而且，本發明的制備方法新穎、操作簡單，成本低，可重復性高，具有很好的推廣應用前景。
【附圖說明】
[0027]圖1為制備高電阻率單晶ZnO時低阻氧化鋅晶格置于金屬鋰電池殼的電化學池配置順序圖。
[0028]圖2為高溫高壓氧氣氣氛退火所使用的裝置圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結合說明書附圖和具體實施例來進一步說明本發明，但實施例并不對本發明做任何形式的限定。除非特別說明，本發明采用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。
[0030]除非特別說明，本發明所用試劑和材料均為市購。
[0031]實施例1
1、制備高電阻率單晶ZnO
(I)室溫下在氬氣填充的手套箱中，將10厘米見方的高質量低阻氧化鋅晶片按圖1所示順序裝配到商用CR 2032電池殼中，其中所用到的電解液為I M LiPF6溶液分散于體積比為4:3:3的碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液中，采用Celgard 2400聚乙烯多微孔膜做為電子隔膜。
[0032]通過LAND BT2013A多通道電池測試系統在室溫下進行恒流放電處理，實現鋰在ZnO單晶中的注入。
[0033]本實施例所用高質量低阻氧化鋅晶片的厚度0.3毫米，恒流放電電流設定為3微安，放電時間設定為15小時。
[0034](2)將上述步驟(I)處理過的進鋰氧化鋅晶片放置于圖2所示的高溫高壓退火爐中，進行晶格中鋰的去除，得到高電阻率ZnO單晶片。
[0035]本實施例所用的鋰去除裝置，其可承受高溫高壓氧氣氣氛，按實驗需求，氧壓設為20標準大氣壓，溫度設為800攝氏度，退火時間設為24小時。
[0036]2、上述制備得到的高電阻率ZnO單晶片的電阻率為111Qcm,比處理之前提高了1110
[0037]實施例2
1、制備高電阻率單晶ZnO
方法同實施例1，不同之處在于，步驟(I)中的ZnO晶片的厚度0.2毫米，恒流放電電流設定為3微安，放電時間設定為1小時。
[0038]本實施例與實施例1相比，由于晶片厚度的降低，而縮短了放電時間，從而獲得相同的處理結果。
[0039]2、本實施例制備得到的高電阻率ZnO單晶片的電阻率為111 Ω cm，比處理之前提高了 1011。
[0040]實施例3
1、制備高電阻率單晶ZnO
方法同實施例1，不同之處在于，步驟(I)中的ZnO晶片的厚度0.5毫米，恒流放電電流設定為3微安，放電時間設定為25小時。
[0041]本實施例與實施例1相比，由于晶片厚度的增加，而延長了放電時間，從而獲得相同的處理結果。
[0042]2、本實施例制備得到的高電阻率ZnO單晶片的電阻率為111 Ω cm，比處理之前提高了 1011。
[0043]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種高電阻率單晶氧化鋅的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51.將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學裝置中，恒流放電處理； 52.將步驟SI處理過的ZnO單晶放于600?1000°C、5?30atm的氧氣氣氛中退火處理10?28小時，即可得到高電阻率ZnO單晶片。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI所述金屬鋰電化學裝置內的電解液為0.5?1.5M LiPF6溶液分散于體積比為2?5: 2?4:2?4的碳酸亞乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯混合溶液中，采用聚乙烯多微孔膜做為電子隔膜。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI所述金屬鋰電化學裝置為鋰電池殼。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI所述將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學裝置中的方法具體是按照如下順序將單晶ZnO晶片裝配到鋰電池殼中:正級殼、單晶ZnO晶片、聚乙烯多微孔膜、金屬鋰片、閃電極、彈簧電極、負極殼。5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟SI所述恒流放電處理是I?4uA恒流放電處理10?25小時。6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟SI所述恒流放電處理是3uA恒流放電處理15小時。7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S2是將步驟SI處理過的ZnO單晶放于800?900°C、15?25atm的氧氣氣氛爐中退火處理22?26小時。8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟S2是將步驟SI處理過的ZnO單晶放于800°C、20atm的高壓氧氣氣氛中退火處理24小時。9.根據權利要求1?8任一所述方法制備得到的高電阻率單晶氧化鋅。10.權利要求9所述高電阻率單晶氧化鋅在制備輻射探測器件或光電探測器件方面的應用。
【文檔編號】C30B33/02GK106065493SQ201610612939
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】黃豐, 季旭, 董美
【申請人】中山大學