一种类石墨烯氮化碳改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种类石墨烯氮化碳改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，通过溶胶‑凝胶制备、旋涂及煅烧工艺，形成g‑C

说明书

技术领域

本发明属于薄膜光电材料领域，具体涉及一种类石墨烯氮化碳(gl-C₃N₄)改性Al掺杂ZnO(AZO)透明导电薄膜的制备方法。

背景技术

透明导电薄膜具有高导电性、在可见光范围内的高透光性以及在红外光范围内的高反射性等优点，将透明性与导电性相结合，使其成为功能材料中极具特色的一类薄膜光电材料。目前，ZnO透明导电薄膜作为一种新型的宽禁带（3.3 eV）半导体材料，对可见光响应弱，在可见光下导电性差。

氮化碳经过剥离可形成类石墨烯的层状结构，而且氮化碳的禁带宽度仅有2.7 eV左右，具有较好的可见光响应能力。通过氮化碳改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜，使其在紫外-可见光的照射下受到激发，诱导电子-空穴分离，而且g-C₃N₄和ZnO之间的相互协同作用，使电子和空穴形成双向转移的过程，有利于提高电子-空穴对的分离效率，进而使薄膜的光电流增强，因此在本发明中，我们采用溶胶-凝胶结合旋涂方法制备类石墨烯氮化碳改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜，解决了普通ZnO基透明导电薄膜在可见光区电导率不高的问题，使其在紫外-可见光区导电性均显著提高。

发明内容

本发明的目的在于首次提供一种类石墨烯C₃N₄改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，本发明制备的透明导电薄膜中g-C₃N₄和Al掺杂ZnO形成异质结构，提高了电子-空穴对的分离效率，从而显著提高了透明导电薄膜在紫外-可见光下的电导率。

本发明是通过以下技术方案实现的，其制备方法步骤如下：一种g-C₃N₄改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，

（1）将一定量的水合乙酸锌溶解在无水乙醇中，然后加入等摩尔的二乙醇胺作为稳定剂，在50-100 ℃下水浴0.5-5 h，形成均匀的透明溶液，再加入一定量的水合硝酸铝（0.5-5 at%），继续水浴0.5-5 h直至形成透明均质溶液，将溶液静置陈化12-24 h；

（2）在镀膜前将一定量的g-C₃N₄（1-5>

（3）清洗玻璃基底，将玻璃片先用蒸馏水超声清洗5-20 min，然后在一定浓度（10-30 wt%）的HF酸溶液中浸泡20-60 min，最后再用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗，烘干备用；

（4）将玻璃片放置于匀胶机上，以一定的匀胶速度（500-4000 rpm）均匀镀膜，每次镀膜结束后在烘箱中烘干，并在马弗炉中预烧，最后进行退火热处理。

本发明通过溶胶-凝胶及旋涂法在玻璃基片上成功制备出氮化碳改性Al掺杂ZnO透明导电薄膜，显著提高了ZnO透明导电薄膜的电导率，且工艺简单、成本低廉，便于工业化生产，在薄膜光电领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制备所得样品在可见光照射下的电阻率变化图，由图可知，g-C₃N₄改性AZO膜的电阻率在可见光照射下电阻率显著减低，而纯AZO膜的电阻率在可见光照射下电阻率变化不明显，说明g-C₃N₄改性AZO膜显著提高其在可见光区的导电性。

图2为本发明实施例1制备所得样品在紫外光照射下的电阻率变化图，由图可知，g-C₃N₄改性AZO膜的电阻率在紫外光照射下相对纯AZO膜的电阻率降低更为显著，说明g-C₃N₄改性AZO膜可提高其在紫外光区的导电性。

图3为本发明实施例3制备所得样品的SEM图谱，由图可知，g-C₃N₄改性AZO薄膜较好地分布在玻璃基底上。

图4为本发明实施例1-4制备所得样品的透光率图谱，由图可知，氮化碳的加入对薄膜在紫外-可见光区的透光率无明显影响。

具体实施方式

通过具体实施案例对本发明做进一步的解释说明，实施例仅限于说明本发明，发明内容并不局限于此。

实施例1

（1）将等摩尔的二水合乙酸锌和二乙醇胺溶于适量无水乙醇中，在60 ℃下水浴1 h，形成均匀的透明溶液，然后加入一定量的水合硝酸铝，继续水浴1 h直至形成透明均质溶液，静置陈化24 h备用。配置溶液中金属离子浓度为0.4 mol/L，其中Al离子掺杂浓度为1 at%。

（2）将玻璃片先用蒸馏水超声清洗10 min，然后在15 wt%的HF溶液中浸泡30 min，最后再用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗，烘干备用。

（3）将1 wt%的氮化碳加入到溶胶中，超声搅拌30 min。将玻璃基片放置匀胶机上以1000 rpm的转速匀胶保持10 s，再以3000 rpm的转速匀胶保持20 s，然后在80 ℃下干燥10 min，420 ℃下预烧15 min后自然冷却，再进行下次镀膜，镀膜层数为10层，最后在500 ℃下热处理1 h。

实施例2

（1）将等摩尔的二水合乙酸锌和二乙醇胺溶于适量无水乙醇中，在60 ℃下水浴1 h，形成均匀的透明溶液，然后加入一定量的水合硝酸铝，继续水浴1 h直至形成透明均质溶液，静置陈化24 h备用。配置溶液中金属离子浓度为0.4 mol/L，其中Al离子掺杂浓度为1 at%。

（2）将玻璃片先用蒸馏水超声清洗10 min，然后在15 wt%的HF溶液中浸泡30 min，最后再用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗，烘干备用。

（3）将3 wt%的氮化碳加入到溶胶中，超声搅拌30 min。将玻璃基片放置匀胶机上以1000 rpm的转速匀胶保持10 s，再以3000 rpm的转速匀胶保持20 s，然后在80 ℃下干燥10 min，420 ℃下预烧15 min后自然冷却，再进行下次镀膜，镀膜层数为10层，最后在550 ℃下热处理1 h。

实施例3

（1）将等摩尔的二水合乙酸锌和二乙醇胺溶于适量无水乙醇中，在60 ℃下水浴1 h，形成均匀的透明溶液，然后加入一定量的水合硝酸铝，继续水浴1 h直至形成透明均质溶液，静置陈化24 h备用。配置溶液中金属离子浓度为0.75 mol/L，其中Al离子掺杂浓度为1 at%。

（2）将玻璃片先用蒸馏水超声清洗10 min，然后在10 wt%的HF溶液中浸泡40 min，最后再用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗，烘干备用。

（3）将3 wt%的氮化碳加入到溶胶中，超声搅拌30 min。将玻璃基片放置匀胶机上以1000 rpm的转速匀胶保持10 s，再以3000 rpm的转速匀胶保持20 s，然后在80 ℃下干燥10 min，420 ℃下预烧15 min后自然冷却，再进行下次镀膜，镀膜层数为10层，最后在500 ℃下热处理1 h。

实施例4

（1）将等摩尔的二水合乙酸锌和二乙醇胺溶于适量无水乙醇中，在60 ℃下水浴1 h，形成均匀的透明溶液，然后加入一定量的水合硝酸铝，继续水浴1 h直至形成透明均质溶液，静置陈化24 h备用。配置溶液中金属离子浓度为0.4 mol/L，其中Al离子掺杂浓度为3 at%。

（2）将玻璃片先用蒸馏水超声清洗10 min，然后在15 wt%的HF溶液中浸泡30 min，最后再用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗，烘干备用。

（3）将5 wt%的氮化碳加入到溶胶中，超声搅拌30 min。将玻璃基片放置匀胶机上以1000 rpm的转速匀胶保持10 s，再以3000 rpm的转速匀胶保持20 s，然后在80 ℃下干燥10 min，420 ℃下预烧15 min后自然冷却，再进行下次镀膜，镀膜层数为10层，最后在500 ℃下热处理1 h。

实施例5

将制备的不同形貌特征的透明导电薄膜分别放在紫外和可见光下进行照射，而后检测其电阻率和透光率的变化。