一种半金属Bi超薄薄膜表面具有透明导电性和疏水性的制备方法

一种半金属bi超薄薄膜表面具有透明导电性和疏水性的制备方法
技术领域
1.本发明属于薄膜制备技术领域，具体涉及物理气相沉积技术制备半金属bi薄膜的制备方法。


背景技术：

2.bi (铋)是一种是具有新型拓扑功能的量子材料中的基本元素：高度各向异性的费米表面、低的载流子浓度、小的有效载流子质量和长载流子平均自由程。块体bi具有出色的光学特性，巨大的红外折射率和负的紫外-可见光介电常数。
3.高质量的bi薄膜已经通过蒸发、磁控溅射和电沉积方法等制备。由于其特殊的结构和电子特性，铋基卤化物作为光电器件的潜在材料，表现出低毒性和高稳定性。铋基磁阻器件也是工业4.0的发展市场需要旨在扩大动态性能和提高精度的新型传感器解决方案。但是，很少有工作关注超薄bi薄膜的疏水性，而忽略了粗糙度和晶界共同影响。润湿性是一种非常重要的特性，受固体表面的化学成分和结构的控制。润湿与表面粗糙度之间的关系被广泛用于制备和分析疏水性。
4.金属薄膜很难满足高透过率的要求，绝缘体薄膜很难满足低电阻的要求。对于半金属bi薄膜来说，在一定厚度范围内，其既透明又导电，满足高透过率和低电阻的要求。高透过率，低接触电阻，强疏水性对适用于未来的超高透明和柔性电子设备具有重大意义。因此，纳米级bi薄膜在传感应用中的未来应用做出贡献。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有金属bi薄膜通过率与输运性能的平衡问题，提供一种半金属bi超薄薄膜表面具有透明导电性和疏水性的制备方法。
6.本发明提供一种半金属bi超薄薄膜表面具有透明导电性和疏水性的制备方法：1) 将衬底清洗、吹干后，10-250℃下通过分子束外延沉积半金属bi，得到具有高性能的透明和导电薄膜；2) 生长室压强小于3.0
×
10-5
pa；3) 调控薄膜沉积速率0.1
ꢀå
/min ~ 3
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/min之间；4) 薄膜持续生长0.5-3小时后，得到(001)择优取向铋薄膜。
7.所述衬底为玻璃等透明衬底。
8.所述清洗是指分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗；所述吹干是指在室温度下氮气等惰性其他吹干。
9.所述的束源使用高纯度材料金属铋。
10.本发明的制备方法及所制备的薄膜具有如下优点及有益效果：本发明提供一种半金属bi超薄薄膜表面具有透明导电性和疏水性的制备方法，本发明采用半金属bi薄膜作为导电薄膜材料，无毒，符合绿色环保的发展趋势。
11.本发明采用了分子束外延沉积系统制备透明导电bi薄膜，操作简单，可重复性高，无需退火，有效降低成本。
12.本发明制备的半金属bi薄膜可用于接触电极，具有低电阻、磁阻各向异性、疏水性和透光性。
附图说明
13.图1为实例1~4所制备bi薄膜的xrd图。
14.图2为实例1~4所制备bi薄膜的afm图像。
15.图3为实例1~4所制备bi薄膜透过率曲线。
16.图4为实例1~4所制备bi薄膜的rt曲线。
17.图5为实例1~4所制备bi薄膜的mr曲线。
18.图6为实例5所制备bi薄膜的xrd图。
19.图7为实例6所制备bi薄膜的xrd图。
具体实施方式
20.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
21.实施例11) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm玻璃衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 衬底温度70℃下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间180min，得到高性能透明导电bi薄膜；4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于50%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
22.实施例21) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm玻璃衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 衬底温度70℃下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间150min，得到高性能透明导电bi薄膜；4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于50%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
23.实施例31) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm玻璃衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 衬底温度70℃下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间120min，得到高性能透明导电bi薄膜；
4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于50%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
24.实施例41) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm玻璃衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 衬底温度70℃下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间90min，得到高性能透明导电bi薄膜；4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于70%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
25.实施例51) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm mgo(100)衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 衬底温度100℃下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间180min，得到高性能透明导电bi薄膜；4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于70%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
26.实施例61) 清洗基片：将0.8cm
×
0.8cm mgo(100)衬底放入大烧杯中，分别用去离子水、丙酮和乙醇依次超声清洗20min；2) 衬底吹干：将清洗过的玻璃衬底在氮气下吹干；3) 室温下，采用分子束外延沉积系统制备半金属bi导电薄膜，生长室压强小于3.0
×
10-7
pa，沉积时间150min，得到高性能透明导电bi薄膜；4) 取出bi薄膜样品，进行物相、电学和润湿性测试，结果表明：获得(003)择优取向bi薄膜，高于50%以上的透光率、低电阻、低表面粗糙度，高疏水性。
27.图1为实施例1~4生长在玻璃衬底上的bi薄膜的xrd图谱，图谱中只存在强而尖锐bi(00l)面的衍射峰，无其他晶面和杂相衍射峰，表明铋薄膜具有很高纯度，且其生长取向为沿(00l)择优取向生长。
28.图2为实施例1~4生长在玻璃衬底上的bi薄膜的afm图像，图像显示铋薄膜结构连续，具有平坦光滑的表面，表明薄膜均方根表面粗糙度均小于5 nm。
29.图3为实施例1~4生长在玻璃上的bi薄膜的透过率曲线，透过率大于50%以上。
30.图4为实施例1~4生长在玻璃上的bi薄膜的rt曲线，bi薄膜的电阻在20k-300k区间展现出良好的半金属-半导体特性。
31.图5为实施例1~4生长在玻璃上的bi薄膜的mr曲线，曲线显示bi薄膜随着磁场的增加，温度范围：2k-300k，磁阻均增加。
32.图6为实施例5生长在mgo衬底上的bi薄膜的xrd图谱。
33.图7为实施例5生长在mgo衬底上的bi薄膜的xrd图谱。
34.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。