一种BiFeO3薄膜的P-N型反转方法及其半导体薄膜和光电器件

一种bifeo3薄膜的p-n型反转方法及其半导体薄膜和光电器件
技术领域
1.本发明为光电转换半导体材料领域，具体涉及一种基于静电掺杂的bifeo3薄膜的p-n型反转方法及其半导体薄膜和光电器件。


背景技术：

2.pn结作为整流、开关及其他用途的器件，同时也是双极型晶体管、可控硅整流器和场效应晶体管的基本组成部分，是几乎所有半导体器件的基本单元。与此同时，pn结也是光电转换器件的重要组成结构，在光电化学领域中的光能转电能这一过程中起着至关重要的作用。
3.bifeo3薄膜，即铁酸铋薄膜，是光电转换器件的一种常用材料。由于其独特的铁电调控特性和pn型反转特性引起了广泛的研究，更是拓宽并完善了人们对bifeo3薄膜性能的认知，加深了对bifeo3半导体薄膜光电转换性能的调控能力，为bifeo3薄膜光电转换器件的构建与应用提供了新思路与新方向。通常情况下，bifeo3薄膜制备只会制备出一种类型，p型或者n型，难以实现bifeo3薄膜的pn结构建以及bifeo3光电转换器件构建。因此，实现bifeo3薄膜自身的pn型自如反转对bifeo3光电转换器件的构建就具有了举足轻重的意义。
4.一般情况下，化合物半导体的pn型反转都是通过掺杂来进行的。常规掺杂方法有两种，分别为热扩散与离子注入。目前，对于硅半导体的掺杂已基本完善，但其他半导体还存在很多问题。热扩散掺杂需要的温度高，对大部分半导体并不适用；离子注入掺杂又存在损伤问题。目前来看，对于bifeo3薄膜并没有一种可靠的实现pn型反转的方法，常规掺杂技术难度高、设备要求高，且难以实现大面积、全面性的反型。
5.因此，为了解决以上问题，我们提出了一种通过静电掺杂实现bifeo3薄膜自身pn型反转的方法，在技术难度低、设备要求低、易于推广的基础上，同时解决pn型反转时反型面积小、反型不全面的问题，且具有一定的普适性，可推广用于其他材料。本发明人结合自己的实际实验经验，经反复的改进后，终于创设出具有使用价值的此项发明。
6.现有的bifeo3薄膜pn型反转方法可靠性差，导致对技术与设备要求高、推广性差、反型不全面等问题，本发明提出一种技术与设备要求低、推广性强、反型全面、且反型效率高的新的可以实现bifeo3薄膜pn型反转的方法。


技术实现要素：

7.本发明通过在bifeo3薄膜上滴加离子液体并施加电压，利用电场作用下的离子迁移实现bifeo3薄膜的pn型反转。这一发现不仅拓宽了人们对静电掺杂这种半导体工艺的认知，加深了对bifeo3半导体薄膜光电转换性能的调控能力，还为bifeo3薄膜光电转换器件的构建与应用提供了新思路与新方向。
8.本发明提出一种bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法，依次包括步骤：（1）bifeo3薄膜制备，（2）离子液体滴加，和（3）静电掺杂。
9.所述步骤（1）包括：在导电基底上铺设bifeo3薄膜，所述bifeo3薄膜包括bifeo3薄
膜擦除部a和bifeo3薄膜主体部，使用盐酸将所述导电基底上的所述bifeo3薄膜擦除部a擦除，导电胶带粘贴于所述导电基底上被擦除的所述bifeo3薄膜擦除部a的部位，将所述导电胶带用绝缘胶带固定在探针工作台上。
10.所述步骤（2）包括：在所述bifeo3薄膜主体部上滴加有机阳离子盐离子液体，形成一层离子液体膜，所述离子液体膜的面积小于所述bifeo3薄膜主体部面积；所述bifeo3薄膜为p型bifeo3薄膜。
11.所述离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的、完全由有机阳离子和无机或有机阴离子所组成的盐。
12.所述步骤（3）包括：将所述探针工作台的探针插入所述离子液体膜中且不与所述bifeo3薄膜主体部接触；电压源负极端与所述导电胶带连接，电压源正极端与所述探针连接，所述电压源为直流电压；所述电压源施加电压后，所述bifeo3薄膜内离子迁移完成静电掺杂，得到n型bifeo3薄膜。
13.所述电压施加过程不得损伤所述bifeo3薄膜主体部；施加的电压为直流持续电压，通过电场作用下的离子迁移实现静电掺杂，使样品反型。
14.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（3）中静电掺杂步骤的所述直流电压值为0.5~1.3v，所述施加电压的持续时间为4.3min~5.5 min。
15.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（2）中所述离子液体的浓度为95%~99%，所述离子液体选择c8h
11
f6n3o4s2、c
10h19
f6n2p或c8h
15
n2f6p中的一种或一种以上，所述离子液体膜的厚度1~2.5 mm。
16.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（2）中所述离子液体膜的面积是所述bifeo3薄膜主体部面积的0.85~0.95倍。
17.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（1）中bifeo3薄膜的厚度为140~158 nm，所述薄膜擦除部a的面积是所述薄膜总面积的0.75~0.85倍。
18.所述bifeo3薄膜主体部的面积可以为1
×
1 um2~5
×
5 cm2。
19.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（1）中所述导电胶带与所述bifeo3薄膜主体部之间间隔为1~2 mm。所述导电胶带与所述bifeo3薄膜主体部不接触。
20.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（3）静电掺杂过程中，先打开所述电压源，设置所述电压值；然后先连接所述电压源负极端与所述导电胶带，再连接所述电压源正极端与所述探针。
21.进一步，本发明的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中所述步骤（3）静电掺杂过程中，先设定所述电压值，然后连接所述电压源正极端与所述探针和所述电压源负极端与所述导电胶带，最后打开所述电压源。
22.本发明还提供了一种bifeo3半导体薄膜，所述bifeo3半导体薄膜为n型，所述bifeo3半导体薄膜上述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法得到。
23.本发明还提供了一种光电器件，所述光电转换器件包括上述所述的半导体bifeo3薄膜。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法中，bifeo3薄膜结构设备简单，步骤简便。相比于通过常规掺杂使p-n型反转的方法结构设备要求高、操作技术要求高，本发明没
有复杂的设备连接和繁多的步骤要求，设备只需要一台电压源，技术难度低，操作简便，有更好的推广性。
25.本发明所述的bifeo3半导体薄膜反型面积大，可实现1
×
1 um
2 ~ 5
×
5 cm2面积的反型；反型更全面，j-v曲线中电流密度基本为正或为负。相比于通过常规掺杂使p-n型反转的方法条件苛刻、难以实现大面积全面反型、反型面积只有微纳级，本发明条件要求简单，易于实现大面积反型，且反型更全面，可以达到性能更好的反型效果。
26.本发明所述的bifeo3薄膜反型方法耗时短，反型效率高。相比于通过常规掺杂使pn型反转的方法设备操作要求高、步骤繁琐，本发明设备操作简单，步骤少，耗时短，反型效率更高。
附图说明
27.图1是本发明bifeo3薄膜的p-n型反转装置示意图；图2是本发明bifeo3薄膜的p型扫描电镜（sem）平面图；图3是本发明bifeo3薄膜的p型的扫描电镜（sem）截面图；图4是本发明bifeo3薄膜的p型的x-射线衍射（xrd）谱图；图5是本发明一实施例bifeo3薄膜的p型的斩光电流密度-电压（j-v）曲线图；图6是本发明一实施例bifeo3薄膜的n型的斩光电流密度-电压（j-v）曲线图；图7是本发明一实施例bifeo3薄膜的p型的质谱图（ms）；图8是本发明一实施例bifeo3薄膜的n型的质谱图（ms）。
实施方式
28.为更进一步阐述本项发明的技术手段，对本发明提出一种bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法的具体实施步骤和细节进行详细说明。
实施例1
29.如图1所示，本发明的一种bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法，采用fto导电玻璃为基底。
30.bifeo3溶液配制：使用10 ml量程移液枪抽取10 ml乙二醇甲醚溶液，放入试剂瓶中待用。用电子天平分别称取1.0253 g九水合硝酸铁与1.2402 g五水合硝酸铋，放入试剂瓶中与乙二醇甲醚溶液混合。使用磁力搅拌器搅拌3 min，将试剂瓶中溶液搅拌均匀，得到10 ml澄清的红棕色bifeo3溶液。
31.步骤（1）bifeo3薄膜制备：在导电基底上铺设bifeo3薄膜，bifeo3薄膜包括bifeo3薄膜擦除部a和bifeo3薄膜主体部，使用盐酸将导电基底上的bifeo3薄膜擦除部a擦除，导电胶带粘贴于导电基底上被擦除的bifeo3薄膜擦除部a的部位，将导电胶带用绝缘胶带固定在探针工作台上；步骤（2）离子液体滴加：在bifeo3薄膜主体部上滴加有机阳离子盐离子液体，形成一层离子液体膜，离子液体膜的面积小于bifeo3薄膜主体部面积；bifeo3薄膜为p型bifeo3薄膜；离子液体为在室温或接近室温下呈现液态的、完全由有机阳离子和无机或有机阴
离子所组成的盐。上述步骤（2）中离子液体的浓度为95%~99%，离子液体选择c8h
11
f6n3o4s2、c
10h19
f6n2p或c8h
15
n2f6p中的一种或一种以上，离子液体膜的厚度1~2.5 mm。
32.步骤（3）静电掺杂：将探针工作台的探针插入离子液体膜中且不与bifeo3薄膜主体部接触；电压源负极端与导电胶带连接，电压源正极端与探针连接，电压源为直流电压；电压源施加电压后，bifeo3薄膜内离子迁移完成静电掺杂，得到n型bifeo3薄膜。
33.电压施加过程不得损伤bifeo3薄膜主体部；施加的电压为直流持续电压，通过电场作用下的离子迁移实现静电掺杂，使样品反型。
实施例2
34.本发明的一种bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法，采用fto导电玻璃为基底，采用实施例1中配置的bifeo3溶液制备bifeo3薄膜。
35.步骤（1）bifeo3薄膜制备：准备一块1.5
×
1 cm2规格的fto导电玻璃基底，清洗干净并用气枪吹干。将fto导电玻璃基底放在旋涂台上固定，在fto导电玻璃基底上滴加适量上述配制的bifeo3溶液，以4500 rpm的转速旋涂20 s，旋涂完成后在350℃加热板上热解3 min，热解完成后在600℃马弗炉中退火5 min。重复上述旋涂、热解与退火的步骤5次，并将最后一次退火时间延长至13 min，bifeo3薄膜制备完成。
36.上述bifeo3薄膜包括bifeo3薄膜擦除部a和bifeo3薄膜主体部，使用盐酸将导电基底上的bifeo3薄膜擦除部a擦除，bifeo3薄膜擦除部a的面积为0.3
×
1 cm
2 。取一条导电铜胶带粘贴于导电基底上被擦除的bifeo3薄膜擦除部a的部位，将导电胶带用绝缘胶带固定在探针工作台上；上述bifeo3薄膜为p型bifeo3薄膜。
37.如图2所示是bifeo3薄膜扫描电镜（sem）平面图，如图3所示是bifeo3薄膜的截面图，x-射线衍射（xrd）谱图如图4所示。
38.步骤（2）离子液体滴加：在bifeo3薄膜上滴加0.24 ml有机阳离子盐离子液体，形成一层约2 mm厚度的离子液体膜，上述离子液体膜的面积小于bifeo3薄膜主体部面积。
39.步骤（3）静电掺杂：将探针工作台的探针插入离子液体膜中且不与bifeo3薄膜主体部接触；电压源负极端与导电胶带连接，电压源正极端与探针连接，电压源为直流电压；电压源施加电压后，调节电压到1 v，持续加电压5 min。bifeo3薄膜内离子迁移完成静电掺杂。得到n型bifeo3薄膜。
40.测试：（1）对处理前后的bifeo3薄膜进行光电化学性能测试，得到的斩光电流密度-电压（j-v）曲线图如图5和图6所示，处理前后样品性能良好。
41.（2）对处理前后的bifeo3薄膜进行质谱图测试，结果图如图7和图8所示，bifeo3薄膜从p型变为n型，pn反型成功。
实施例3
42.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（3）静电掺杂过程的直流电压值为0.5~1.3v，施加电压的持续时间为4.3min~5.5 min。
实施例4
43.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（2）中离子液体膜的面积是bifeo3薄膜主体部面积的0.85~0.95倍。
实施例5
44.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（1）中bifeo3薄膜的厚度为140~158 nm,、薄膜擦除部a的面积是薄膜总面积的0.75~0.85倍。
实施例6
45.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（1）中导电胶带与bifeo3薄膜主体部之间间隔为1~2 mm。
实施例7
46.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（3）静电掺杂过程中，先打开电压源，设置电压值；然后先连接电压源负极端与导电胶带，再连接电压源正极端与探针。
实施例8
47.本实施例与实施1的不同之处在于，步骤（3）静电掺杂过程中，先设定电压值，然后连接电压源正极端与探针和电压源负极端与导电胶带，最后打开电压源。
实施例9
48.本发明的一种bifeo3半导体薄膜，其特征在于，bifeo3半导体薄膜为n型，bifeo3半导体薄膜通过上述实施例的方法得到。
49.实施例10：本发明的一种光电器件，其特征在于，光电转换器件包括上述实施例的半导体bifeo3薄膜。
50.本发明上述实施例1~8的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，bifeo3薄膜结构设备简单，步骤简便。相比于通过常规掺杂使p-n型反转的方法结构设备要求高、操作技术要求高，本发明没有复杂的设备连接和繁多的步骤要求，设备只需要一台电压源，技术难度低，操作简便，有更好的推广性。
51.本发明上述实施例1~9的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，bifeo3半导体薄膜反型面积大，可实现1
×
1 um
2 ~ 5
×
5 cm2面积的反型；反型更全面，j-v曲线中电流密度基本为正或为负。相比于通过常规掺杂使p-n型反转的方法条件苛刻、难以实现大面积全面反型、反型面积只有微纳级，本发明条件要求简单，易于实现大面积反型，且反型更全面，可以达到性能更好的反型效果。
52.本发明上述实施例1~9的bifeo3薄膜的p-n型反转方法耗时短，反型效率高。相比于通过常规掺杂使pn型反转的方法设备操作要求高、步骤繁琐，本发明设备操作简单，步骤少，耗时短，反型效率更高。
53.上述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和
原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
54.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述特征，并且可以在不脱离其范围进行各种修改或改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述反转方法依次包括步骤：（1）bifeo3薄膜制备，（2）离子液体滴加，和（3）静电掺杂；所述步骤（1）包括：在导电基底上铺设bifeo3薄膜，所述bifeo3薄膜包括bifeo3薄膜擦除部a和bifeo3薄膜主体部，使用盐酸将所述导电基底上的所述bifeo3薄膜擦除部a擦除，导电胶带粘贴于所述导电基底上被擦除的所述bifeo3薄膜擦除部a的部位，将所述导电胶带用绝缘胶带固定在探针工作台上；所述步骤（2）包括：在所述bifeo3薄膜主体部上滴加有机阳离子盐离子液体，形成一层离子液体膜，所述离子液体膜的面积小于所述bifeo3薄膜主体部面积；所述bifeo3薄膜为p型bifeo3薄膜；所述步骤（3）包括：将所述探针工作台的探针插入所述离子液体膜中且不与所述bifeo3薄膜主体部接触；电压源负极端与所述导电胶带连接，电压源正极端与所述探针连接，所述电压源为直流电压；所述电压源施加电压后，所述bifeo3薄膜内离子迁移完成静电掺杂，得到n型bifeo3薄膜。2.根据权利要求1所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（3）中静电掺杂步骤的所述直流电压值为0.5~1.3v，所述施加电压的持续时间为4.3min~5.5 min。3.根据权利要求2所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述离子液体的浓度为95%~99%，所述离子液体选择c8h
11
f6n3o4s2、c
10
h
19
f6n2p或c8h
15
n2f6p中的一种或一种以上，所述离子液体膜的厚度1~2.5 mm。4.根据权利要求3所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（2）中所述离子液体膜的面积是所述bifeo3薄膜主体部面积的0.85~0.95倍。5.根据权利要求4所述的bifeo3半导体薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（1）中bifeo3薄膜的厚度为140~158 nm，所述薄膜擦除部a的面积是所述薄膜总面积的0.75~0.85倍。6.根据权利要求5所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述导电胶带与所述bifeo3薄膜主体部之间间隔为1~2 mm。7.根据权利要求6所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（3）静电掺杂过程中，先打开所述电压源，设置所述电压值；然后先连接所述电压源负极端与所述导电胶带，再连接所述电压源正极端与所述探针。8.根据权利要求6所述的bifeo3薄膜的p-n型反转方法，其特征在于，所述步骤（3）静电掺杂过程中，先设定所述电压值，然后连接所述电压源正极端与所述探针和所述电压源负极端与所述导电胶带，最后打开所述电压源。9.一种bifeo3半导体薄膜，其特征在于，所述bifeo3半导体薄膜为n型，所述bifeo3半导体薄膜由权利要求1~8中任一项所述的方法得到。10.一种光电器件，其特征在于，所述光电转换器件包括权利要求9所述的半导体bifeo3薄膜。

技术总结
本发明公开了一种静电掺杂实现BiFeO3薄膜P-N型反转的新方法，即在BiFeO3薄膜上滴加离子液体并施加电压，通过电场作用下的离子迁移实现BiFeO3薄膜的P-N型反转。这一发现不仅拓宽了人们对静电掺杂这种半导体工艺的认知，加深了对BiFeO3半导体薄膜光电转换性能的调控能力，还为BiFeO3薄膜光电转换器件的构建与应用提供了新思路与新方向。本发明不但解决了目前BiFeO3薄膜P-N型反转的难点，并且结构和设备简单，步骤简便，可控性强，反型效率高且可量化，具有较强的推广性。具有较强的推广性。具有较强的推广性。


技术研发人员：张泽民 刘彗雅 胡孝梁
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/24