一種光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種納米發光材料的制備方法，具體地涉及一種基于ZnO在短波段優良的發光特性、多孔硅獨特的表面形貌以及一維光子晶體顯著的光致增強性能、以電化學腐蝕法制備的一維多孔硅光子晶體為襯底融合溶膠-凝膠法制備ZnO/PSM發光材料的方法。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的高速發展，以光電子和微電子為基礎的通訊和網絡技術已成為高新技術的核心。半導體激光器作為信息技術的關鍵部件使得光纖通訊得以普及，也使得以光盤為主的信息存儲技術不斷更新換代。光盤的存儲密度與激光器的波長平方成反比，并且波長越短讀取速度也越快。因此，短波長發光二極管和激光二極管已經成為半導體材料研宄中的一個熱點。ZnO無色無嗅無毒，是一種新型的環境友好的半導體材料。此外，ZnO是II 一IV族寬能隙直接帶材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV,對應紫外光的波長，且ZnO的激子束縛能高達60meV，因此可實現室溫或者更高溫度下的激子受激紫外輻射發光，非常適合用于制作短波長發光器件。多孔硅是一種海綿狀的、有著巨大比表面積的納米硅基材料，這種形貌非常適合納米材料的生長，且其折射率可調節這一特性，為一維多孔硅光子晶體的實現提供了制備基礎。目前的研宄結果表明一維多孔硅光子晶體在高效率低損耗反射鏡和波導、微腔、濾波器、傳感器、高效率的發光二極管、光電集成等很多方面都具有很多潛在的應用。
[0003]本申請的發明人經過近兩年對光子晶體增強納米發光材料的潛心研宄，設計了一種基于ZnO在短波段優良的發光特性、多孔硅獨特的表面形貌以及一維光子晶體顯著的光致增強性能、以電化學腐蝕法制備的一維多孔硅光子晶體為襯底融合溶膠-凝膠法制備ZnO/PSM發光材料的方法。實驗表明該方法是一種簡便實用的ZnO/PSM發光材料的制備方法。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料的制備方法，該方法包括一維多孔硅光子晶體的制備和氧化、ZnO溶膠的制備、多孔硅光子晶體的溶膠浸潤和高溫退火等步驟。優選地，在光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料制備的步驟中還包括一維多孔硅光子晶體制備中單晶硅的優選和制備工藝參數優化的步驟，經過上述處理可得到光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料。
[0005]鑒于一維多孔硅光子晶體業已證實的光致增強特性和溶膠-凝膠法可以完美的融合在ZnO/PSM發光材料制備工藝中的雙重考慮，以電化學腐蝕法制備的一維多孔硅光子晶體為襯底，采用溶膠-凝膠法制備ZnO/PSM發光材料，既克服了傳統納米材料制備工藝繁瑣、調控困難的不足，又使ZnO/PSM光學特性得到顯著增強，不失為兩全其美之舉。
[0006]其中，一維多孔硅光子晶體的制備是影響制備光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料的關鍵環節，因此，包括單晶硅的優選、電化學腐蝕工藝及參數的優化是光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料制備首先要解決的問題。通過文獻調研結合大量實驗驗證，P型、晶向為100、電阻率為0.01-0.02 Ω cm的單晶硅光致增強效果顯著，適合作為本底材料。近幾年實驗室反復的大量的工作表明，將單晶硅片置于酒精和質量百分含量為48% HF溶液按體積比為1:1混合的溶液中，按照(??)7序列從上到下對單晶硅片進行電化學腐蝕可制備光致發光特性顯著的一維多孔硅光子晶體。其中，njl的電流密度為50mA/cm2、腐蝕時間為1.1s, nH層的電流密度為20mA/cm2、腐蝕時間為1.7s，Iilx層的電流密度為50 mA/cm2、腐蝕時間為4.5s。
[0007]退火溫度是影響ZnO/PS發光材料性能的關鍵因素。研宄發現，退火溫度從600°C、700°C、800°C升高到900°C，ZnO/PS在800°C時的光致發光最強(見圖1 )，且隨著退火溫度的升高，ZnO顆粒的尺寸逐漸變大，并出現團聚現象，在800°C時ZnO顆粒尺寸較大且結晶度較高(見圖2)，c軸擇優取向度明顯(見圖3)。
[0008]ZnO溶膠的配比是影響ZnO/PS發光材料性能的重要因素。隨著乙酸鋅與聚乙烯醇質量比從3:1、4:1增加到5:1，ZnO/PS發光材料的紫外發光峰先增強后減弱，在4:1時有最強的紫外發光峰(見圖4)，且ZnO在PS上顆粒分布最均勻(見圖5)。
[0009]一維多孔硅光子晶體對納米氧化鋅的紫外發光有顯著的增強效果。研宄發現，將制備的多孔硅微腔(見圖6)及多孔硅浸泡在質量比為4:1的ZnO溶膠中800°C退火，ZnO/PSM的紫外發光峰明顯高于ZnO/PS的紫外發光峰(見圖7)，可見此種方法可制備出光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料。
[0010]該方法已經在實驗中得到反復驗證，結果表明該方法是一種簡便實用的ZnO/PSM發光材料的制備方法。
【附圖說明】
[0011]圖1 ZnO/PS薄膜在不同退火溫度的光致發光譜。退火溫度分別為:(1)600°C ; (2)7000C；(3) 8000C；(4) 900°Co
[0012]圖2 ZnO/PS薄膜在不同退火溫度的表面掃描電鏡圖。退火溫度分別為:(a)600°C ;(b) 700°C ; (c) 800°C ；(d) 9000C。
[0013]圖3 ZnO/PS薄膜在不同退火溫度的XRD譜。退火溫度分別為:(I) 700°C ; (2)800°C ；(3) 900°Co
[0014]圖4不同質量比的乙酸鋅與聚乙烯醇在退火溫度為800°C下制備的ZnO/PS薄膜樣品的光致發光譜。乙酸鋅與聚乙烯醇質量分別為:(1)3:1 ; (2)4:1 ; (3) 5:1。
[0015]圖5不同質量比的乙酸鋅與聚乙烯醇在退火溫度為800°C下制備ZnO/PS薄膜樣品的表面掃描電鏡圖。乙酸鋅與聚乙烯醇質量分別為:(1)3:1 ；(2)4:1 ；(3)5:1?
[0016]圖6乙酸鋅與聚乙烯醇質量比為4:1，退火溫度為800°C時制備的ZnO/PSM的截面掃描電鏡圖。
[0017]圖7乙酸鋅與聚乙烯醇質量比為4:1，退火溫度為800°C時制備的ZnO/PS及ZnO/PSM的光致發光譜。(I) ZnO/PS的光致發光譜；(2) ZnO/PSM的光致發光譜。
【具體實施方式】
[0018]實施例1 一種光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料的制備方法
光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料的制備方法包括一維多孔硅光子晶體的制備和氧化、ZnO溶膠的制備、多孔硅光子晶體的溶膠浸潤和高溫退火幾個階段。
[0019]( I)、一維多孔硅光子晶體的制備和氧化
將優選的P型、晶向為100、電阻率為0.01-0.02 Ω cm的單晶硅片置于乙醇和質量體積百分含量為48% HF按體積比1:1混合的溶液中，按照(??)7序列從上到下對單晶硅片進行電化學腐蝕，其中，njl的電流密度為50mA/cm2、腐蝕時間為1.1s, ^層的電流密度為20mA/cm2、腐蝕時間為1.7s，Iilx層的電流密度為50 mA/cm2、腐蝕時間為4.5s，然后將新制備的一維多孔硅光子晶體浸泡在30% H2O2中24h，取出用去離子水沖洗。
[0020](2)、ZnO溶膠的制備
將2.0g乙酸鋅先溶于50mL去離子水中，加入0.5g聚乙烯醇，加熱至800°C同時磁力攪拌I h，得到均勻透明的溶膠，冷卻到室溫下放置24 h后備用。
[0021](3)、一維多孔硅光子晶體的溶膠浸潤和高溫退火
將步驟(I)中制備的一維多孔硅光子晶體浸潤在步驟(2)中制備的ZnO溶膠中24h，取出在高溫退火爐中800°C退火30min，可制備光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料。
[0022]通過上述具體的實施例，更容易理解本發明。上述實施例只是舉例性的描述，而不應當被理解為用來限制本發明的范圍。
【主權項】
1.一種光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料的制備方法，其特征在于:(I) 一維多孔硅光子晶體的制備和氧化:將優選的P型、晶向為100、電阻率為0.01-0.02 Ω cm的單晶硅片置于乙醇溶液和質量體積百分含量為48% HF溶液按體積比1:1混合的溶液中，按照(nLnH) 7nLc (nHnL)7序列從上到下對單晶娃片進行電化學腐蝕，其中，n Jl的電流密度為50mA/cm2、腐蝕時間為1.1s, nH層的電流密度為20mA/cm 2、腐蝕時間為1.7s，％。層的電流密度為.50 mA/cm2、腐蝕時間為4.5s，然后將新制備的一維多孔硅光子晶體浸泡在30% H2O2中24h，取出用去離子水反復沖洗；(2) ZnO溶膠的制備:將2.0g乙酸鋅先溶于50mL去離子水中，后加入0.5g聚乙烯醇，加熱至800°C加熱同時磁力攪拌I h，得到均勻透明的溶膠，室溫下放置24 h后備用；(3) —維多孔硅光子晶體的溶膠浸潤和高溫退火:將步驟⑴中制備的一維多孔硅光子晶體浸泡在步驟(2)中制備的ZnO溶膠中24h，取出后在高溫退火爐中800°°C退火30min，可制備光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料。
【專利摘要】本發明提供了一種光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料的制備方法，該方法包括一維多孔硅光子晶體的制備和氧化、ZnO溶膠的制備、一維多孔硅光子晶體的溶膠浸潤和高溫退火等步驟。優選地，在光子晶體增強的納米ZnO/PSM發光材料制備的步驟中還包括一維多孔硅光子晶體制備中單晶硅的優選和制備工藝參數優化的步驟，經過上述處理可得到光子晶體增強的ZnO/PSM發光材料。
【IPC分類】B82Y20/00, C09K11/54
【公開號】CN104910898
【申請號】CN201510221725
【發明人】張紅燕, 劉叢, 賈振紅
【申請人】新疆大學
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月5日