一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高電阻率單晶氧化鋅及其制備方法和應(yīng)用。該方法是將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學(xué)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(xué)方法結(jié)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(fā)明的制備方法新穎、操作簡單，成本低，可重復(fù)性高，具有很好的推廣應(yīng)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(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于輻射探測器技術(shù)領(lǐng)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(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體核輻射探測器的研究已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的時間。其在核科學(xué)、天文學(xué)、宇宙物理、核能利用、工業(yè)自動化、核電站、核醫(yī)學(xué)成像、反恐防恐和環(huán)保監(jiān)測等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展了較為成熟的探測器件制備技術(shù)。但是，無論硅還是鍺都因其較窄的帶隙而對環(huán)境溫度敏感、抗輻射能力弱，因而將其裝備到強輻照環(huán)境下工作的系統(tǒng)中受到較大的限制。另一方面，對于化合物半導(dǎo)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(shù)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(wěn)定性及可靠性難以保證，這些問題大大限制了相關(guān)輻射探測器件的廣泛應(yīng)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(yōu)異特性的ZnO寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸受到關(guān)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(lǐng)域應(yīng)用的重要阻礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中難以獲得高電阻率單晶ZnO的缺陷和技術(shù)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(xué)方法結(jié)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(fù)性高。
[0006]本發(fā)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(fā)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(fā)明的再一目的是提供所述高電阻率單晶氧化鋅的應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
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(xué)裝置中，恒流放電處理，實現(xiàn)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(yán)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(xué)位能的差異，采取可控的放電過程，實現(xiàn)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(zhì)量單晶ZnO晶片。
[0013]優(yōu)選地，步驟SI所述金屬鋰電化學(xué)裝置內(nèi)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(yōu)選地，步驟SI所述金屬鋰電化學(xué)裝置內(nèi)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(yōu)選的可實施方案，步驟SI所述金屬鋰電化學(xué)裝置為鋰電池殼。使用時，將ZnO晶片放于商用的鋰電池結(jié)構(gòu)中恒流放電處理。
[0016]優(yōu)選地，步驟SI所述將單晶ZnO晶片置于金屬鋰電化學(xué)裝置中的方法具體是按照如下順序?qū)尉nO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(fù)極殼，外圈是絕緣套層。
[00? 7 ] 優(yōu)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(yōu)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(yōu)選地，步驟SI所述的單晶ZnO晶片的大小為10厘米見方。
[0020]優(yōu)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(yōu)選地，是當(dāng)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(dāng)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(yōu)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(yōu)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(yīng)用，也都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0025]本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)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(xué)方法結(jié)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(fā)明的制備方法新穎、操作簡單，成本低，可重復(fù)性高，具有很好的推廣應(yīng)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(xué)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(jié)合說明書附圖和具體實施例來進一步說明本發(fā)明，但實施例并不對本發(fā)明做任何形式的限定。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。
[0030]除非特別說明，本發(fā)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(zhì)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(tǒng)在室溫下進行恒流放電處理，實現(xiàn)鋰在ZnO單晶中的注入。
[0033]本實施例所用高質(zhì)量低阻氧化鋅晶片的厚度0.3毫米，恒流放電電流設(shè)定為3微安，放電時間設(shè)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(shè)為20標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度設(shè)為800攝氏度，退火時間設(shè)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(shè)定為3微安，放電時間設(shè)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(jié)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(shè)定為3微安，放電時間設(shè)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(jié)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(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)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(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)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(xué)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(jù)權(quán)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(xué)裝置內(nèi)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(jù)權(quán)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(xué)裝置為鋰電池殼。4.根據(jù)權(quán)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(xué)裝置中的方法具體是按照如下順序?qū)尉nO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(fù)極殼。5.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(quán)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(yīng)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(fā)明人】黃豐, 季旭, 董美
【申請人】中山大學(xué)