一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法、装置及应用

本发明涉及半导体材料表面工程，特别是一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法、装置及应用。

背景技术：

1、氢化半导体材料因其优异的光电特性在各个领域有着广泛的应用。但是传统的氢化法因其局限性，比如高温、长处理时间的苛刻条件或者化学残留物，严重限制了氢化半导体材料的实际应用。

2、相比于氢分子和氢原子，氢离子因其活跃的化学活性可大大提高氢化效率，但是现有相关的氢离子氢化技术还存在一些不足之处。如申请号为201310153657.7的中国专利文献公开了氢等离子体辅助氢化制备黑色二氧化钛的方法：首次报道，采用高温(300-500℃)、高功率(100-300w)和长处理时间(2-12h)的苛刻条件，因不可控造成了对材料的不可逆破坏；另外，因采用了高能氢离子，将通过不可控渗透渗入材料内部形成体缺陷，产生大量的电子-空穴复合中心，严重影响了材料的光电转换效率。申请号为201710622273.3的中国专利文献公开了一种黑色二氧化钛涂层的制备方法：该方法对上述方法进行了改进，工作温度为室温，功率降到了40-200w，但是电压仍为1000-30000v，仍产生了高能氢离子，未能解决复合中心的问题。因此，寻找低成本、能够大面积对半导体材料进行无损氢化的方法具有重要意义。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法、装置及应用，通过在样品台周围添加电磁线圈来产生磁力线，增加氢离子的密度，降低启动氢等离子体的功率，产生低能氢离子，然后采用低电压来加速氢离子到半导体表面，能够将氢离子渗透深度控制在0.1～2nm，从而避免产生体缺陷和复合中心，实现半导体材料的温和、大面积、无损氢化。

2、为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，具体技术方案如下：

4、一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，包括以下步骤：

5、步骤一、将半导体材料置于室温氢离子氢化装置真空腔内的样品台上，然后将环形电磁线圈围绕样品台外侧安装，抽真空；

6、步骤二、通入氢气，使真空腔内气压保持在0.1～100pa范围内，将环形电磁线圈通电，控制磁场强度在10～100mt范围内，启动射频源，进行氢化处理，得到氢化半导体材料。

7、在本发明的一些实施例中，步骤一中所述样品台与射频源间的距离为100～500mm。

8、在本发明的一些实施例中，步骤一中所述抽真空具体为确保真空腔内真空度不低于10-5pa。

9、在本发明的一些实施例中，步骤二中氢化处理的温度为常温。

10、在本发明的一些实施例中，步骤二中氢化处理过程中射频源功率为5～50w，偏压为5～50v。

11、在本发明的一些实施例中，步骤二中所述氢化处理时间为1～5分钟。

12、在本发明的一些实施例中，步骤二中氢化处理完成后，先停止通入氢气，然后关闭射频源，将环形电磁线圈断电，抽真空，通入氮气至1个标准大气压后再取出样品。

13、本发明第二方面提供一种上述的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法所用的室温氢离子氢化装置，包括真空腔，所述真空腔内设有射频源和样品台，所述射频源位于所述样品台正上方，所述样品台外侧套设有环形电磁线圈，所述真空腔上还设有抽气口和气源进口，所述抽气口与抽真空装置连接，所述气源进口与供气装置连接。

14、在本发明的一些实施例中，所述真空腔的材质包括但不限于不锈钢、石英、铝。

15、在本发明的一些实施例中，所述射频源与所述样品台间的距离可调。

16、在本发明的一些实施例中，所述样品台为圆形，所述样品台的外径小于所述环形电磁线圈的内径。

17、在本发明的一些实施例中，所述抽真空装置包括机械泵和扩散泵。

18、在本发明的一些实施例中，所述抽真空装置与所述抽气口连接的管路上设有抽气阀门；和/或，所述供气装置与气源进口连接的管路上设有供气阀门。

19、本发明第三方面提供上述低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法制得的氢化半导体材料在光电催化制氢、二氧化碳还原、太阳能电池和燃料电池等领域中的应用。

20、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

21、1、本发明提供的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，通过控制低能氢离子实现其浅的渗透深度，将体缺陷和复合中心降至最低，实现了室温可控氢化。

22、2、本发明提供的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，样品台直径可扩大到50cm，能够制备均匀、大面积的氢化半导体材料。

23、3、本发明提供的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，为氢离子氢化法，氢化效率很高，在极短的时间就能实现完全的氢化处理，因而处理时间短，通常仅为1～5分钟。

24、4、本发明提供的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，因采用的是物理氢离子氢化法，没有进行任何化学处理，因此，半导体材料表面清洁、无其他化学残留物。

技术特征：

1.一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，其特征在于，包括以下特征中的一项或几项：

3.如权利要求1所述的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法，其特征在于，包括以下特征中的一项或几项：

4.一种如权利要求1～3任一项所述的低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法所用的室温氢离子氢化装置，其特征在于，包括真空腔(1)，所述真空腔(1)内设有射频源(3)和样品台(2)，所述射频源(3)位于所述样品台(2)正上方，所述样品台(2)外侧套设有环形电磁线圈(4)，所述真空腔(1)上还设有抽气口(6)和气源进口(5)，所述抽气口(6)与抽真空装置(7)连接，所述气源进口(5)与供气装置(8)连接。

5.如权利要求4所述的室温氢离子氢化装置，其特征在于，所述真空腔(1)的材质包括但不限于不锈钢、石英、铝。

6.如权利要求4所述的室温氢离子氢化装置，其特征在于，所述射频源(3)与所述样品(2)台间的距离可调。

7.如权利要求4所述的室温氢离子氢化装置，其特征在于，所述样品台(2)为圆形，所述样品台(2)的外径小于所述环形电磁线圈(4)的内径。

8.如权利要求4所述的室温氢离子氢化装置，其特征在于，所述抽真空装置(7)包括机械泵和扩散泵。

9.如权利要求4所述的室温氢离子氢化装置，其特征在于，所述抽真空装置(7)与所述抽气口(6)连接的管路上设有抽气阀门(10)；和/或，所述供气装置(8)与气源进口(5)连接的管路上设有供气阀门(9)。

10.如权利要求1～3任一项所述的方法制得的氢化半导体材料在纳米光电器件、可再生能源和生物医疗中的应用。

技术总结本发明涉及半导体材料表面工程技术领域，主要是一种低能氢等离子体常温制备氢化半导体材料的方法、装置及应用。本发明在样品台周围添加电磁线圈来产生磁力线，增加氢离子的密度，降低启动氢等离子体的功率，产生低能氢离子，然后采用低电压来加速氢离子到半导体表面，能够将氢离子渗透深度控制在0.1～2nm，从而避免产生体缺陷和复合中心，实现了室温可控氢化，能够批量制备均匀、大面积的氢化半导体材料。技术研发人员：王晓丹受保护的技术使用者：上海科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5