室温下光致发光非晶铌氧化物薄膜及其热处理技术

摘要

一种室温下光致发光非晶铌氧化物薄膜及其热处理技术，其中光致发光非晶铌氧化物薄膜是在单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm的均匀非晶结构铌氧化物膜为前期材料，经在大气环境下亚高温退火而得到含有少量混晶的非晶结构铌氧化物薄膜材料。其热处理技术是采用连续和急速两种方式对前述方法得到的材料升温退火，其中，连续升温的速率控制在10℃/min；急速升温是将样品直接送入预定的温区；在大气环境下，选择300～450℃温度退火1h，在空气中自然降温处理得到光致发光的非晶结构铌氧化物薄膜产品。注意的是连续升温方式得到的材料性能稳定，急速升温方式得到的材料性能稳定性稍差，但发光效果显著。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能在室温下光致发光的非晶铌氧化物薄膜材料及其制造技术。

背景技术

现有的铌金属氧化物膜材料主要是五氧化二铌，而二氧化铌和非晶结构铌金属氧化物纳米结构膜则少见报道。铌氧化物纳米薄膜主要用于电容器的电极、波导、催化技术等方面。铌金属氧化物的光学性质也多见于在其反射率和高折射率技术方面得到应用。具有光致发光性能的铌金属氧化物薄膜及其材料的制备技术以及相关产品制造技术及其应用，目前未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有室温下在可见光区光致发光的非晶铌氧化物薄膜材料及其热处理技术。

实现上述目的的具体方案如下：

一种室温下光致发光非晶铌氧化物薄膜及其热处理技术，其中光致发光非晶铌氧化物薄膜是由单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm的均匀非晶结构铌氧化物膜作为前期材料；再采用连续升温和急速升温两种方式的任一种，对前期材料在退火炉中退火，在大气环境下，选择300～450℃温度退火1h，在空气中自然降温处理得到光致发光的非晶铌氧化物薄膜产品。经退火后的铌氧化物膜仍保持非晶的基本结构，仅在X射线光电子能谱分析方法中观察到少量混晶结构成分。

在300～450℃退火温度值区间内的任何温度值，将经过在单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm值间的任何厚度值的均匀非晶结构铌氧化物膜做连续或急速升温方式，在大气环境下退火1h处理，空气中自然冷却至室温，得到符合要求的光致发光的非晶结构铌氧化物薄膜产品。

将得到的在单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm的均匀非晶结构铌氧化物膜，不论采用连续升温还是急速升温，选择升温至360℃，在大气环境下退火1h，进行退火处理，在空气中自然冷却至室温，得到符合要求的光致发光的非晶铌氧化物薄膜产品。

将在单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm的均匀非晶结构铌氧化物膜，选择升温至385℃，在大气环境下退火1h，进行退火处理，在空气中自然冷却至室温，得到符合要求的光致发光的非晶铌氧化物薄膜产品。

将在单晶硅基底上镀有厚度为300～900nm的均匀非晶结构铌氧化物膜而得到含有少量混晶的非晶结构铌氧化物薄膜材料，选择升温至400℃，在大气环境下退火1h，进行退火处理，在空气中自然冷却至室温，得到符合要求的光致发光的非晶铌氧化物薄膜产品。

前述的连续升温的速率控制在10℃/min；急速升温是把退火炉预先升温至设定温度，将样品直接送入预定的温区。注意的是连续升温方式得到的材料性能稳定，急速升温方式得到的材料性能稳定性稍差，但发光效果显著。前述的混晶包括NbO、NbO₂和Nb₂O₅三种晶形。

用本技术方案得到的非晶铌氧化物薄膜材料，在室温下具有可见光区光致发光的特性。经此热处理工艺，可保证膜的完好性，获得的膜材料表面色泽鲜艳，一般会因镀膜厚度的不同，呈现出红色或绿色的色彩。材料在514nm波长的激光源激发下，分别在630nm(1.79eV)和715nm(1.74eV)发光中心附近的可见光区受激发光，发光光强峰值可达20多万个计量单位，发光效能比未退火前提高百倍以上。

本发明提供的技术是在亚高温和非真空条件下进行，材料的制备方法和处理工艺简单，对设备技术要求不高，一般可控温的退火炉均可使用，适合大规模生产和应用；材料具备高效性、经济性和可操作性。材料在室温下具有可见光区光致发光的特殊性能，是一种极具潜在应用价值的功能材料，可用于示波管、彩色广告屏幕及电视电脑中的显像材料；在制备光学开关、光敏元件以及其他功能材料方面将有广阔的潜在价值。

附图说明

图1是非晶铌氧化物薄膜退火后PL谱；

图2是非晶铌氧化物薄膜退火样品PL谱峰强度随温度变化规律。

具体实施方式

以下给出本发明的实施例，对技术方案作具体说明。

例一、1、镀膜，采用单晶硅板材作基底，利用成熟的镀膜技术，在单晶硅基底材料上均匀镀300～900nm厚度的非晶结构铌氧化物薄膜得到前期材料(以下简称样材)备用。2、退火设备的处理，包括载样瓷舟和退火炉必须清理干净，达到没有其它金属化学成分或有机物残留，尤其不能有其它易挥发物质。其中，载样瓷舟经过酸洗、清水漂洗，然后依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗。3、瓷舟置入退火炉中，升温至1000℃以上，高温预烧1小时以上，预烧期间让炉内气流流动，将炉内残留物废气带走。4、将样材切成需要的尺寸备用。5、将样材放入处理好的瓷舟内，送入炉内恒温区，以10℃/min速率连续升温至350～400℃即连续升温；或先将炉子升温至350～400℃，然后将载有样材的瓷舟直接送入炉内恒温区，即急速升温。6、让载有样材的瓷舟在退火炉内保温1小时(即退火1小时，以下各例皆同)。7、将载有样材的瓷舟从退火炉中拉出，在空气中自然冷却至室温。8、将处理好的样材取出保存待用。

例二、利用热氧化法镀膜技术，在单晶硅基底上镀厚度300nm的均匀的非晶结构铌氧化物膜作为备用样材；清理干净载样瓷舟和退火炉，退火炉升温至1000℃以上，瓷舟置入炉中预烧2小时，并利用气泵使炉内气流流动，将炉内残留物废气带走。将样材切成需要的尺寸，放入处理好的瓷舟内，并送入炉内恒温区，以10℃/min速率连续升温至385℃，保温1小时。从炉内将载有样材的瓷舟拉出，让其在空气中自然冷却至室温，最后取出样材保存待用。

例三、用与例二相同的方法制备厚度为300nm均匀的非晶结构铌氧化物膜为备用样材；使用20％的稀硫酸浸泡旧瓷舟1小时，再用清水漂洗干净，然后依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗，将处理好的瓷舟入退火炉中，升温至1200℃高温预烧1小时，仍然让炉内气流流动，带走炉内残留物废气；把样材切成需要尺寸，置入处理好的瓷舟内。将炉子升温至400℃，再把载有样材的瓷舟直接送入炉内恒温区，保温1小时。最后把载有样材的瓷舟拉出炉子，在空气中自然冷却至室温，取出样材保存待用。

例四、用与例二相同的方法制备厚度为300nm均匀的非晶结构铌氧化物膜为备用样材；用与例一相同方式处理好载样瓷舟和退火炉，将瓷舟放入退火炉中，炉子升温至1000℃，高温预烧1.5小时，期间用气泵使炉内气流流动，带走炉内残留物废气。样材切成需要的尺寸，放入处理好瓷舟内；再送入炉内恒温区，以10℃/min速率连续升温至360℃，保温1小时。从炉内拉出载有样材的瓷舟，在空气中冷却至室温，保存好样材待用。

参照图1，从非晶铌氧化物薄膜退火PL谱图像显示了光致发光的区域是630nm和715nm附近为中心的可见区域。

参照图2，从非晶铌氧化物薄膜退火样品PL谱峰强度随温度变化规律图像分析，显示了在300～450℃退火温区，发光性能显著，最佳退火区域在350～400℃。