一種氧化鋅納米纖維同質p-n結器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料和半導體器件領域，具體涉及一種交叉結構氧化鋅納米纖維同質p-n結及其制備方法技術背景
[0002]氧化鋅是一種新型的寬禁帶(Eg = 3.37eV)半導體材料，具有較高的粒子束縛能(60meV),可廣泛應用于紫外發光二極管、激光二極管、光電探測器等光電器件。氧化鋅具有和GaN相同的晶體結構，相近的晶格常數和禁帶寬度，而且氧化鋅具有比GaN更高的熔點和更大的激子束縛能，更易實現室溫或更高溫度下高效率激光發射。氧化鋅還具備良好的熱穩定性和化學穩定性，因此在藍紫發光二極管，激光器等相關光電器件方面有巨大的應用潛力。
[0003]制備性能優良的氧化鋅同質結是氧化鋅在光電器件領域獲得應用的關鍵之一，解決氧化鋅同質P-n結的制備技術對氧化鋅的應用有很重要的現實意義。目前的研宄中，中國專利(CN201020266941.7)用固相反應燒結制備氧化鋅基材料靶材，再采用脈沖激光沉積分別制備P型摻鈷氧化鋅薄膜和η型摻銦鎵氧化鋅薄膜，形成p-n同質結，脈沖沉積后無需熱處理，方法簡單，薄膜質量好，但僅適用于薄膜材料的制備；申請號為CN201210248191.4的中國專利先采用離子濺射技術沉積一層η型Al摻雜氧化鋅薄膜，再通過電化學沉積的方法，在η型Al摻雜氧化鋅薄膜上生長P型Sb摻雜氧化鋅納米棒陣列，獲得了氧化鋅薄膜與納米棒組成的同質結，但是制備工藝復雜，并且此種方法仍然以二維薄膜材料為基礎；為了獲得納米結構的氧化鋅同質P-n節，中國專利(申請號:CN201210064478.1)將純氧化鋅粉末和純石墨粉按定量比放入石英管，氣相沉積生長出氧化鋅納米線陣列，將氧化鋅納米線陣列的襯底覆蓋在P型擴散源上，通過高溫高壓形成了 P型氧化鋅納米線陣列，經過水熱過程，最終得到在P型氧化鋅上徑向生長了 η型氧化鋅納米棒的三維p-n同質結納米陣列，但是其制備耗時長，同時這種不穩定的三維結構對測量其P-n結電學性質困難。此外，包括中國專利(申請號:CN201310026868.4)制備的氧化鋅同軸同質納米棒，都是集中在了氧化鋅納米線垂直陣列的制備方面。因此尋求設計一種制備方法簡單快捷、可批量生產、結構穩定、性能穩定可靠的納米結構氧化鋅同質P-n結器件，具有很高的科學意義和實用價值。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術缺陷，提供一種結構穩定、性能穩定可靠、制備方法簡單快捷、可批量生產、成本低廉、實用性強的納米結構氧化鋅同質p-n結器件及其制備方法。
[0005]為了解決上述問題，本發明提供了一種氧化鋅納米纖維同質p-n結器件及其制備方法。本發明通過靜電紡絲技術和半導體材料摻雜改性技術制備氧化鋅納米纖維作為P型區，然后在P型區上繼續電紡η型氧化鋅納米纖維，形成一種交叉結構的納米纖維同質P-n結器件。具體技術方案如下:
[0006]本發明提供了一種氧化鋅納米纖維同質p-n結器，包括氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜、外殼層、陰極電極和陽極電極；所述氧化鋅納米纖維同質P-n結復合膜包括η型面和覆蓋于其上的P型面，所述η型面為靜電紡絲法制備的純氧化鋅納米纖維膜，所述P型面為靜電紡絲法制備的P型摻雜氧化鋅納米纖維膜，所述P型摻雜氧化鋅納米纖維膜為摻雜鑭或鈰元素的氧化鋅納米纖維膜，η型面和P型面之間通過纖維相互褡褳連接，η型面的纖維與P型面的纖維相互交叉褡褳處形成P-n結；所述外殼層包括設置有中央鏤空孔的絕緣保護層，以及固定于絕緣保護層兩側密封中央鏤空孔的導電襯底I和導電襯底II，所述氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜裁剪成與鏤空孔相匹配的形狀置于鏤空孔內，氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜的P型面連接導電襯底I，η型面連接導電襯底II，所述導電襯底I和導電襯底II上分別設置有陽極電極和陰極電極。
[0007]進一步的，所述絕緣保護層為邊長為1mmX 10mm，中心處具有3mmX3mm方形孔的絕緣層，絕緣保護層為透明塑料片或白紙，氧化鋅納米纖維同質P-n結復合膜為邊長3mmX3mm方形膜，導電襯底I為邊長8mmX8mm正方形銷箔層，導電襯底II為邊長1mmX 1mm銷箔層或η型ITO薄膜層，陽極電極和陰極電極分別為自導電襯底I和導電襯底II引出的導線。
[0008]本發明還提供了一種氧化鋅納米纖維同質p-n結器件的制備方法，采用靜電紡絲技術進行二次紡絲，形成交叉結構納米纖維P-n結氧化鋅半導體，具體包括以下步驟:
[0009](I)配制靜電紡絲前驅液:分別配制η型純氧化鋅前驅體溶液A和P型摻雜氧化鋅前驅體溶液B，所述P型摻雜氧化鋅摻雜鑭或鈰元素；
[0010](2)電紡制備態η型純氧化鋅納米纖維膜:選擇電紡條件在20°C，環境濕度為60%下進行，將步驟(I)中配得的電紡前驅體溶液A利用靜電紡絲技術電紡為制備第一層納米纖維膜，即得制備態η型純氧化鋅納米纖維膜；
[0011](3)電紡制備態P型摻雜氧化鋅納米纖維膜:在步驟⑵中制備好的第一層納米纖維膜上直接電紡第二層納米纖維膜得到雙層復合納米纖維膜，所述第二層納米纖維膜是用步驟(I)配制的電紡前驅體溶液B通過靜電紡絲技術制得的制備態P型摻雜氧化鋅納米纖維膜，完成步驟即得前驅體復合雙層納米纖維膜；
[0012](4)高溫燒結:步驟(3)中所得的前驅體復合雙層納米纖維膜在馬弗爐中進行燒結，去除納米纖維中的有機成份，即制得氧化鋅納米纖維同質P-n結復合膜，制備態η型純氧化鋅納米纖維膜所在的一側燒結后為η型面，制備態P型摻雜氧化鋅納米纖維膜所在的一側燒結后為P型面；
[0013](5)器件組裝:鏤空孔的絕緣保護層的一側固定導電襯底I，導電襯底I將絕緣保護層一側密封，將步驟(4)中所得的氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜修剪成與鏤空孔相匹配的形狀置于鏤空孔內，所述氧化鋅納米纖維同質P-n結復合膜的P型面與導電襯底I緊密貼合，導電襯底II固定于絕緣保護層的另一側并將該側密封，導電襯底II與氧化鋅納米纖維同質P-n結復合膜的η型面緊密貼合，導電襯底I和導電襯底II上分別設置陽極電極和陰極電極。
[0014]本發明的有益效果是:本發明采用靜電紡絲技術進行二次紡絲，形成交叉結構納米纖維p-n結氧化鋅半導體，制備方法簡單，成本較低，適宜批量生產，由此方法制得的含有交叉結構納米纖維p-n結的氧化鋅納米纖維同質p-n結器件具有結構穩定、性能穩定可靠、實用性強的優點。具體的說:(1)氧化鋅同質p-n結元件制備方法簡單，原理可靠，實用性強，并且成本低；(2)制備的氧化鋅交叉結構納米纖維同質p-n結，交叉納米線在交叉位置處完整結合，P-n結穩定可靠；(3)按照纖維膜尺寸也可調節p-n結大小，該交叉結構納米纖維構成的p-n結可以實現元件微型化。
【附圖說明】
[0015]圖1本發明制備方法的工藝流程原理示意圖；
[0016]圖2本發明制備的雙層氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜的掃描電鏡SEM照片(嵌入圖為交叉納米線放大圖)；
[0017]圖3本發明制備的氧化鋅同質p-n結器件的結構剖面示意圖；
[0018]圖4本發明的鑭-氧化鋅/氧化鋅同質p-n結器件的整流特性曲線測試圖；
[0019]圖5本發明的鈰-氧化鋅/氧化鋅同質p-n結器件的整流特性曲線測試圖；
[0020]圖中:1-外殼層，11-絕緣保護層，12-導電襯底I，13-導電襯底II，2-氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜，21-p型面，22-n型面，3-陽極電極，4-陰極電極。
【具體實施方式】
[0021]為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過實施方式對本方案進行闡述。
[0022]實施例1:
[0023]本實施例采用靜電紡絲技術進行二次紡絲，形成交叉結構納米纖維p-n結氧化鋅半導體，制備氧化鋅納米纖維同質p-n結復合膜，具體步驟如下:
[0024](I)配制靜電紡絲前驅液:純氧化鋅前驅體溶液A的配制:將1.2克醋酸鋅，0.45克去離子水及2克無水乙醇混合后磁力攪拌，1.2克聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量130萬)與8.5克無水乙醇混合后60°C水浴加熱攪拌2小時，溶液攪拌均勻后將冷卻后的PVP溶液緩慢倒入醋酸鋅溶液中，磁力攪拌I小時，形成透明溶液；鑭元素摻雜氧化鋅前驅體溶液B配制:將1.2克醋酸鋅，0.15克醋酸鑭，0.45克去離子水及2.0克無水乙醇混合后磁力攪拌，1.2克聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量130萬)與8.5克無水乙醇混合后60°C水浴加熱攪拌2小時，溶液攪拌均勻后將冷卻后的PVP溶液緩慢倒入醋酸鋅溶液中，磁力攪拌I小時，形成透明紡絲液；
[0025](2)電紡制備態η型純氧化鋅納米纖維膜:選擇電紡條件在20°C，環境濕度為60%下進行，采用靜電紡絲法制備純氧化鋅制備態納米纖維:用一次性滴管吸取1.5毫升步驟(I)中配制好的前驅體溶液A滴入5毫升針管中，將高壓直流電源的正極連接針管針尖，負極接鋁箔，鋁箔位于針尖正下方13.5厘米處作為接收極，在鋁箔上側面放置邊長為2厘米的且表面帶有氧化硅絕緣層方形硅片，在20千伏電壓下電紡，即可在鋁箔上收集到第一層氧化鋅前驅體納米纖維薄膜；
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