一种氧化锌纳米纤维同质p-n结器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料和半导体器件领域，具体涉及一种交叉结构氧化锌纳米纤维同质p-n结及其制备方法技术背景
[0002]氧化锌是一种新型的宽禁带(Eg = 3.37eV)半导体材料，具有较高的粒子束缚能(60meV),可广泛应用于紫外发光二极管、激光二极管、光电探测器等光电器件。氧化锌具有和GaN相同的晶体结构，相近的晶格常数和禁带宽度，而且氧化锌具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，更易实现室温或更高温度下高效率激光发射。氧化锌还具备良好的热稳定性和化学稳定性，因此在蓝紫发光二极管，激光器等相关光电器件方面有巨大的应用潜力。
[0003]制备性能优良的氧化锌同质结是氧化锌在光电器件领域获得应用的关键之一，解决氧化锌同质P-n结的制备技术对氧化锌的应用有很重要的现实意义。目前的研宄中，中国专利(CN201020266941.7)用固相反应烧结制备氧化锌基材料靶材，再采用脉冲激光沉积分别制备P型掺钴氧化锌薄膜和η型掺铟镓氧化锌薄膜，形成p-n同质结，脉冲沉积后无需热处理，方法简单，薄膜质量好，但仅适用于薄膜材料的制备；申请号为CN201210248191.4的中国专利先采用离子溅射技术沉积一层η型Al掺杂氧化锌薄膜，再通过电化学沉积的方法，在η型Al掺杂氧化锌薄膜上生长P型Sb掺杂氧化锌纳米棒阵列，获得了氧化锌薄膜与纳米棒组成的同质结，但是制备工艺复杂，并且此种方法仍然以二维薄膜材料为基础；为了获得纳米结构的氧化锌同质P-n节，中国专利(申请号:CN201210064478.1)将纯氧化锌粉末和纯石墨粉按定量比放入石英管，气相沉积生长出氧化锌纳米线阵列，将氧化锌纳米线阵列的衬底覆盖在P型扩散源上，通过高温高压形成了 P型氧化锌纳米线阵列，经过水热过程，最终得到在P型氧化锌上径向生长了 η型氧化锌纳米棒的三维p-n同质结纳米阵列，但是其制备耗时长，同时这种不稳定的三维结构对测量其P-n结电学性质困难。此外，包括中国专利(申请号:CN201310026868.4)制备的氧化锌同轴同质纳米棒，都是集中在了氧化锌纳米线垂直阵列的制备方面。因此寻求设计一种制备方法简单快捷、可批量生产、结构稳定、性能稳定可靠的纳米结构氧化锌同质P-n结器件，具有很高的科学意义和实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术缺陷，提供一种结构稳定、性能稳定可靠、制备方法简单快捷、可批量生产、成本低廉、实用性强的纳米结构氧化锌同质p-n结器件及其制备方法。
[0005]为了解决上述问题，本发明提供了一种氧化锌纳米纤维同质p-n结器件及其制备方法。本发明通过静电纺丝技术和半导体材料掺杂改性技术制备氧化锌纳米纤维作为P型区，然后在P型区上继续电纺η型氧化锌纳米纤维，形成一种交叉结构的纳米纤维同质P-n结器件。具体技术方案如下:
[0006]本发明提供了一种氧化锌纳米纤维同质p-n结器，包括氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜、外壳层、阴极电极和阳极电极；所述氧化锌纳米纤维同质P-n结复合膜包括η型面和覆盖于其上的P型面，所述η型面为静电纺丝法制备的纯氧化锌纳米纤维膜，所述P型面为静电纺丝法制备的P型掺杂氧化锌纳米纤维膜，所述P型掺杂氧化锌纳米纤维膜为掺杂镧或铈元素的氧化锌纳米纤维膜，η型面和P型面之间通过纤维相互褡裢连接，η型面的纤维与P型面的纤维相互交叉褡裢处形成P-n结；所述外壳层包括设置有中央镂空孔的绝缘保护层，以及固定于绝缘保护层两侧密封中央镂空孔的导电衬底I和导电衬底II，所述氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜裁剪成与镂空孔相匹配的形状置于镂空孔内，氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜的P型面连接导电衬底I，η型面连接导电衬底II，所述导电衬底I和导电衬底II上分别设置有阳极电极和阴极电极。
[0007]进一步的，所述绝缘保护层为边长为1mmX 10mm，中心处具有3mmX3mm方形孔的绝缘层，绝缘保护层为透明塑料片或白纸，氧化锌纳米纤维同质P-n结复合膜为边长3mmX3mm方形膜，导电衬底I为边长8mmX8mm正方形销箔层，导电衬底II为边长1mmX 1mm销箔层或η型ITO薄膜层，阳极电极和阴极电极分别为自导电衬底I和导电衬底II引出的导线。
[0008]本发明还提供了一种氧化锌纳米纤维同质p-n结器件的制备方法，采用静电纺丝技术进行二次纺丝，形成交叉结构纳米纤维P-n结氧化锌半导体，具体包括以下步骤:
[0009](I)配制静电纺丝前驱液:分别配制η型纯氧化锌前驱体溶液A和P型掺杂氧化锌前驱体溶液B，所述P型掺杂氧化锌掺杂镧或铈元素；
[0010](2)电纺制备态η型纯氧化锌纳米纤维膜:选择电纺条件在20°C，环境湿度为60%下进行，将步骤(I)中配得的电纺前驱体溶液A利用静电纺丝技术电纺为制备第一层纳米纤维膜，即得制备态η型纯氧化锌纳米纤维膜；
[0011](3)电纺制备态P型掺杂氧化锌纳米纤维膜:在步骤⑵中制备好的第一层纳米纤维膜上直接电纺第二层纳米纤维膜得到双层复合纳米纤维膜，所述第二层纳米纤维膜是用步骤(I)配制的电纺前驱体溶液B通过静电纺丝技术制得的制备态P型掺杂氧化锌纳米纤维膜，完成步骤即得前驱体复合双层纳米纤维膜；
[0012](4)高温烧结:步骤(3)中所得的前驱体复合双层纳米纤维膜在马弗炉中进行烧结，去除纳米纤维中的有机成份，即制得氧化锌纳米纤维同质P-n结复合膜，制备态η型纯氧化锌纳米纤维膜所在的一侧烧结后为η型面，制备态P型掺杂氧化锌纳米纤维膜所在的一侧烧结后为P型面；
[0013](5)器件组装:镂空孔的绝缘保护层的一侧固定导电衬底I，导电衬底I将绝缘保护层一侧密封，将步骤(4)中所得的氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜修剪成与镂空孔相匹配的形状置于镂空孔内，所述氧化锌纳米纤维同质P-n结复合膜的P型面与导电衬底I紧密贴合，导电衬底II固定于绝缘保护层的另一侧并将该侧密封，导电衬底II与氧化锌纳米纤维同质P-n结复合膜的η型面紧密贴合，导电衬底I和导电衬底II上分别设置阳极电极和阴极电极。
[0014]本发明的有益效果是:本发明采用静电纺丝技术进行二次纺丝，形成交叉结构纳米纤维p-n结氧化锌半导体，制备方法简单，成本较低，适宜批量生产，由此方法制得的含有交叉结构纳米纤维p-n结的氧化锌纳米纤维同质p-n结器件具有结构稳定、性能稳定可靠、实用性强的优点。具体的说:(1)氧化锌同质p-n结元件制备方法简单，原理可靠，实用性强，并且成本低；(2)制备的氧化锌交叉结构纳米纤维同质p-n结，交叉纳米线在交叉位置处完整结合，P-n结稳定可靠；(3)按照纤维膜尺寸也可调节p-n结大小，该交叉结构纳米纤维构成的p-n结可以实现元件微型化。
【附图说明】
[0015]图1本发明制备方法的工艺流程原理示意图；
[0016]图2本发明制备的双层氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜的扫描电镜SEM照片(嵌入图为交叉纳米线放大图)；
[0017]图3本发明制备的氧化锌同质p-n结器件的结构剖面示意图；
[0018]图4本发明的镧-氧化锌/氧化锌同质p-n结器件的整流特性曲线测试图；
[0019]图5本发明的铈-氧化锌/氧化锌同质p-n结器件的整流特性曲线测试图；
[0020]图中:1-外壳层，11-绝缘保护层，12-导电衬底I，13-导电衬底II，2-氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜，21-p型面，22-n型面，3-阳极电极，4-阴极电极。
【具体实施方式】
[0021]为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过实施方式对本方案进行阐述。
[0022]实施例1:
[0023]本实施例采用静电纺丝技术进行二次纺丝，形成交叉结构纳米纤维p-n结氧化锌半导体，制备氧化锌纳米纤维同质p-n结复合膜，具体步骤如下:
[0024](I)配制静电纺丝前驱液:纯氧化锌前驱体溶液A的配制:将1.2克醋酸锌，0.45克去离子水及2克无水乙醇混合后磁力搅拌，1.2克聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量130万)与8.5克无水乙醇混合后60°C水浴加热搅拌2小时，溶液搅拌均匀后将冷却后的PVP溶液缓慢倒入醋酸锌溶液中，磁力搅拌I小时，形成透明溶液；镧元素掺杂氧化锌前驱体溶液B配制:将1.2克醋酸锌，0.15克醋酸镧，0.45克去离子水及2.0克无水乙醇混合后磁力搅拌，1.2克聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量130万)与8.5克无水乙醇混合后60°C水浴加热搅拌2小时，溶液搅拌均匀后将冷却后的PVP溶液缓慢倒入醋酸锌溶液中，磁力搅拌I小时，形成透明纺丝液；
[0025](2)电纺制备态η型纯氧化锌纳米纤维膜:选择电纺条件在20°C，环境湿度为60%下进行，采用静电纺丝法制备纯氧化锌制备态纳米纤维:用一次性滴管吸取1.5毫升步骤(I)中配制好的前驱体溶液A滴入5毫升针管中，将高压直流电源的正极连接针管针尖，负极接铝箔，铝箔位于针尖正下方13.5厘米处作为接收极，在铝箔上侧面放置边长为2厘米的且表面带有氧化硅绝缘层方形硅片，在20千伏电压下电纺，即可在铝箔上收集到第一层氧化锌前驱体纳米纤维薄膜；
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