一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法
2023-05-09 00:37:01 1
一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，將金屬襯底氣相沉積得到石墨烯層，得到的結構材料與表面均勻塗有光解膠的離型薄膜通過適當加溫烘烤使其粘合為一體，然後將金屬襯底腐蝕掉，將剩餘的「石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料用去離子水漂洗後烘乾與硬質透明耐高溫襯底用水解膠粘合在一起，形成「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料；釋放光解膠，去除離型薄膜，得到「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料，雷射分子束外延法沉積碲鎘汞薄膜，水解膠釋放，去除過渡襯底，將「石墨烯+碲鎘汞」結構材料轉移至目標襯底材料上。本發明可實現獲得在非晶態無機襯底及有機襯底材料上的晶態碲鎘汞薄膜。
【專利說明】一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，屬於紅外薄膜材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]碲鎘汞材料是直接帶隙材料贗二元化合物半導體合金材料，由於具有本徵載流子濃度低、電子遷移率高、電子與空穴遷移率比大、光吸收係數大、熱激發速率小、電子有效質量小、熱膨脹係數與矽接近等特點，一直是目前紅外探測器中應用最廣泛的主體材料，在軍事技術和空間【技術領域】有著極其重要的應用背景。
[0003]但是由於其獨特的物理特徵一直難以找到優異的製備碲鎘汞單晶體材料的製備技術。目前的研究重點主要在碲鎘汞外延薄膜的製備研究上。而外延的襯底材料則多採用以CdZnTe、CdTe為主的同質襯底材料和以GaAs、Al203、Si為主的異質襯底材料等結晶性較高、質量好的硬質單晶塊體材料。而隨著社會的不斷進步和技術的不斷創新，我們對碲鎘汞紅外探測器件也有了更高的發展要求:大面陣FPA、降低成本、大尺寸晶片成為目前研製的主導，同時還要求儀器小型化、輕型化。而目前常用的各種硬質單晶襯底材料無法同時滿足這些要求，極大地限制了碲鎘汞FPA器件的發展，襯底的選擇單一、品質要求高、穩定性差等問題已成為碲鎘汞薄膜質量、性質、性能進一步改善的關鍵問題。選用非晶態和柔性材料作為襯底可以成為解決這些問題的方法之一。就目前的結果來看，在非晶態襯底上生成的碲鎘汞薄膜都為非晶態的，其光學性質與晶態碲鎘汞薄膜相比還是有明顯的差異，還無法達到器件的要求。相比較而言，柔性襯底材料在柔韌性、工藝性、降低成本方面更具有優勢，但柔性襯底材料有一致命的弱點就是不耐高溫，一般情況下超過160°C就容易發生熔化變形，而且絕大多數的柔性材料都是有機非晶的，這給薄膜的生長帶來較大難度。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，利用石墨烯作為碲鎘汞薄膜生長的載體，製備石墨烯基可轉移碲鎘汞薄膜複合材料，以實現晶態碲鎘汞薄膜在單晶、非晶、金屬及柔性材料等各種目標襯底上的外延。
[0005]本發明採取的技術方案為:
[0006]一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，包括步驟如下:
[0007](I)石墨烯的製備
[0008]將金屬襯底放入真空化學氣相沉積(CVD)系統中，氣相沉積得到石墨烯層；
[0009]( 2)石墨烯層的預剝離
[0010]將(I)步驟中得到的「金屬襯底+石墨烯」結構材料與表面均勻塗有光解膠的離型薄膜適當加溫烘烤使其粘合為一體，然後放入金屬襯底的腐蝕液中浸泡將金屬襯底完全腐蝕掉，將剩餘的「石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料用去離子水漂洗後烘乾與過渡襯底材料用水解膠粘合在一起，形成「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料；利用紫外光燈照射，使光解膠層釋放，去除離型薄膜，同時固化水解膠層，得到「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料；[0011 ] (3)締鋪萊薄I旲的製備
[0012]在「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料上雷射分子束外延(LMBE)法沉積碲鎘汞薄膜，得到「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料；
[0013](4)石墨烯的剝離及碲鎘汞薄膜的轉移
[0014]將「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料置於去離子水中使水解膠釋放，去除過渡襯底，之後將「石墨烯+碲鎘汞」結構材料轉移至目標襯底材料上，烘乾，最終得到「目標襯底+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
[0015]上述製備方法中，步驟(1)真空化學氣相沉積的條件優選:將系統密閉抽至IOPa以下，然後升溫至300°C時通入H2，繼續升溫至1050°C，恆溫20分鐘後通入CH4，通氣50分鐘後停止通入CH4，保持恆溫15分鐘後，關閉H2，之後迅速冷卻得到單層石墨烯。
[0016]步驟(2)所述的光解膠為適當加溫烘烤即可產生黏性，通過紫外線照射可使膠層釋放的UV光解膠；所述的金屬襯底的腐蝕液為能夠置換襯底金屬離子的金屬鹽溶液，優選銅作金屬襯底，FeCl3溶液為腐蝕液。水解膠為通過紫外線照射可產生粘性並發生固化，通過置入加熱水溶液可釋放膠層的水解水溶性UV膠；過渡襯底材料為:硬質透明耐高溫材料，優選雙拋石英片。
[0017]步驟(3)所述的雷射分子束外延法為:採用雷射分子束外延設備，248nm紫外準分子高能量脈衝雷射作為光源，選擇Hga8Cda2Te材料製成體靶，以步驟(2)中得到的「透明硬質襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料為基體濺射沉積碲鎘汞薄膜，能量為100-150mJ，雷射頻率:2-10Hz，沉積溫度80-100°C，沉積時背景壓強範圍KT2-1O1Pa,沉積時間10-120分鐘。
[0018]步驟(4)所述的目標襯底包括:CdZnTe、CdTe等常規同質襯底材料；S1、Ge、藍寶石、石英等異質襯底材料；非晶玻璃、有機高分子聚合物、高溫耐熱膠帶等非晶、軟質材料。
[0019]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0020](I)在生長碲鎘汞過程中，不需要將碲鎘汞生長到不同的目標襯底上，在保證碲鎘汞薄膜的結晶質量及成分配比穩定性的同時還增加了碲鎘汞薄膜製備的靈活性；
[0021](2)襯底材料的選擇更加方便、靈活；
[0022](3)實現在非晶、軟質襯底材料上的晶態碲鎘汞薄膜的轉移製備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1未轉移石墨烯基結構示意圖；
[0024]圖2未轉移石墨烯基締鋪萊複合薄I吳材料結構不意圖；
[0025]圖3轉移後石墨烯基締鋪萊複合薄I旲材料結構不意圖；
[0026]圖4製備可轉移石墨烯基碲鎘汞複合薄膜材料的方法流程圖。
[0027]圖5為本發明實施例2製備的(a)在石英襯底上的石墨烯基碲鎘汞複合薄膜材料和(b)轉移在高溫耐熱膠帶襯底上的石墨烯基碲鎘汞複合薄膜材料的X射線衍射光譜，圖中標註「〇」為碲鎘汞材料衍射峰，其他衍射信號為目標襯底對應衍射峰。
【具體實施方式】[0028]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅限於說明解釋本發明，並不用於限定本發明。所述材料如無特別說明均能從公開商業途徑而得。
[0029]實施例1
[0030](I)石墨烯的製備
[0031]將銅箔放入採用高溫管式爐和複合分子泵組成的真空化學氣相沉積(CVD)系統中，將系統密閉抽至IOPa以下，開始升溫。升溫至300°C時通入H2 (流量50sccm)，繼續升溫至1050°C，恆溫20分鐘後通入CH4 (流量50sccm)，通氣50分鐘後關閉通入CH4,保持恆溫15分鐘後，關閉H2，之後迅速冷卻得到單層石墨烯。
[0032]( 2)石墨烯層的預剝離
[0033]將(I)步驟中得到的石墨烯與表面均勻塗有UV光解膠的離型薄膜，置於烤箱內80°C、I分鐘，取出，一段時間之後，放入FeCl3溶液中室溫浸泡，直到Cu基底完全腐蝕。將「石墨烯+離型膜」遷移到去離子水溶液中漂洗30min後遷移到Si襯底上，待自然乾燥，置於130°C的加熱板上烘烤30min。之後將「石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料利用水解UV膠和石英基片粘合在一起，適當擠壓，形成「石英片+水解膠層+石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料；利用紫外光燈照射樣品約30min，使光敏膠釋放，去除離型薄膜，同時固化水解膠層，得到「石英片+水解膠層+石墨烯」結構材料。
[0034](3)碲鎘汞薄膜的製備
[0035]採用雷射分子束外延(LMBE)設備，248nm、150mJ、5Hz準分子高能量脈衝雷射作為濺射光源，選擇Hga8Cda2Te材料製成體靶，在步驟(2)中得到的「石英片+水解膠層+石墨烯」結構材料上沉積生長碲鎘汞薄膜。沉積溫度100°C。沉積時背景壓強5Pa，沉積時間120分鐘，得到「石英片+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
[0036](4)石墨烯的剝離及碲鎘汞薄膜的轉移
[0037]將「石英片+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料置於50-70°C去離子水中約30min，使水解膠釋放，剝離石英片，之後將「石墨烯+碲鎘汞」結構材料轉移至非晶玻璃襯底材料上，而後置於低溫加熱板上加熱烘乾，最終得到「非晶玻璃+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
[0038]實施例2
[0039](I)石墨烯的製備
[0040]將銅箔放入採用高溫管式爐和複合分子泵組成的真空化學氣相沉積(CVD)系統中，將系統密閉抽至IOPa以下，開始升溫。升溫至300°C時通入H2 (流量50sccm)，繼續升溫至1050°C，恆溫20分鐘後通入CH4 (流量50sccm)，通氣50分鐘後關閉通入CH4,保持恆溫15分鐘後，關閉H2，之後迅速冷卻得到單層石墨烯。
[0041](2)石墨烯層的預剝離
[0042]將(I)步驟中得到的石墨烯與表面均勻塗有UV光解膠的離型薄膜，置於烤箱內80°C、I分鐘，取出，一段時間之後，放入FeCl3溶液中室溫浸泡，直到Cu基底完全腐蝕。將「石墨烯+離型膜」遷移到去離子水溶液中漂洗30min後遷移到Si襯底上，待自然乾燥，置於130°C的加熱板上烘烤30min。之後將「石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料利用水解膠UV和石英基片粘合在一起，適當擠壓，形成「石英片+水解膠層+石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料；利用紫外光燈照射樣品約30min，使光敏膠釋放，去除離型薄膜，同時固化水解膠層，得到「石英片+水解膠層+石墨烯」結構材料。
[0043](3)碲鎘汞薄膜的製備
[0044]採用雷射分子束外延(LMBE)設備，248nm、120mJ、8Hz準分子高能量脈衝雷射作為濺射光源，選擇Hga8Cda2Te材料製成體靶，在步驟(2)中得到的「石英片+水解膠層+石墨烯」結構材料上沉積生長碲鎘汞薄膜。沉積溫度90°C。沉積時背景壓強5Pa，沉積時間100分鐘，得到「石英片+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
[0045](4)石墨烯的剝離及碲鎘汞薄膜的轉移
[0046]將「石英片+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料置於50_70°C去離子水中約30min,使水解膠釋放，剝離石英片，之後將「石墨烯+碲鎘汞」結構材料轉移至有機高溫耐熱膠帶，而後置於低溫加熱板上加熱烘乾，最終得到「有機高溫耐熱膠帶+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
[0047]最後應該說明的是，以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，包括步驟如下: (1)石墨烯的製備 將金屬襯底放入真空化學氣相沉積(CVD)系統中，氣相沉積得到石墨烯層； (2)石墨烯層的預剝離 將(I)步驟中得到的「金屬襯底+石墨烯」結構材料與表面均勻塗有光解膠的離型薄膜適當加溫烘烤使其粘合為一體，然後放入金屬襯底的腐蝕液中浸泡將金屬襯底完全腐蝕掉，將剩餘的「石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料用去離子水漂洗後烘乾與過渡襯底材料用水解膠粘合在一起，形成「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+光解膠層+離型薄膜」結構材料；利用紫外光燈照射，使光解膠層釋放，去除離型薄膜，同時固化水解膠層，得到「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料； (3)碲鎘汞薄膜的製備 在「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料上雷射分子束外延法沉積碲鎘汞薄膜，得到「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料； (4)石墨烯的剝離及碲鎘汞薄膜的轉移 將「過渡襯底+水解膠層+石墨烯+碲鎘汞」結構材料置於去離子水中使水解膠釋放，去除過渡襯底，之後將「石墨烯+碲鎘汞」結構材料轉移至目標襯底材料上，烘乾，最終得到「目標襯底+石墨烯+碲鎘汞」結構材料。
2.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，步驟(I)真空化學氣相沉積的條件優選:將系統密閉抽至IOPa以下，然後升溫至300°C時通入H2，繼續升溫至1050°C，恆溫20分鐘後通入CH4,通氣50分鐘後停止通入CH4,保持恆溫15分鐘後，關閉H2，之後迅速冷卻得到單層石墨烯。
3.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，所述的金屬襯底的腐蝕液為能夠置換襯底金屬離子的金屬鹽溶液。
4.根據權利要求3所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，選銅作金屬襯底，FeCl3溶液為腐蝕液。
5.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，所述的光解膠為UV光解膠。
6.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，所述的水解膠為紫外光照射可產生粘性並發生固化，通過置入加熱水溶液可釋放膠層的UV水解膠。
7.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，所述的過渡襯底材料為硬質耐高溫透明襯底材料。
8.根據權利要求7所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，選雙拋石英片作為過渡襯底材料。
9.根據權利要求1所述的一種可轉移碲鎘汞薄膜的製備方法，其特徵是，步驟(3)所述的雷射分子束外延法為:採用雷射分子束外延設備，248nm、150mJ、5Hz準分子高能量脈衝雷射作為濺射光源，選擇Hga8Cda2Te材料製成體靶，以步驟(2)中得到的「過渡襯底+水解膠層+石墨烯」結構材料為基體沉積，沉積溫度100°C，沉積時背景壓強5Pa，沉積時間120分鐘。
【文檔編號】H01L31/0304GK103700731SQ201410004797
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】劉玫, 滿寶元, 畢冬 申請人:山東師範大學