一种液态金属氧化物半导体材料及其制备方法

本发明属于半导体材料制备，具体涉及一种液态金属氧化物半导体材料及其制备方法。

背景技术：

1、半导体器件在电子工业领域有着极为广泛关键的应用。现有制备半导体材料的方法主要包含化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)和物理气相沉积(pvd)等，需要昂贵的仪器和复杂的流程。

2、广义的液态金属是指在660℃以下呈现液态的金属单质及合金，更为常用的液态金属通常是在室温附近为液态的金属，如熔点在30℃以下的镓或其合金，或是在稍高一些温度范围如40℃～200℃期间能呈现液态的低熔点金属合金如铋铟锡锌等材料。近年来，随着一系列重大研究进展的取得，液态金属的应用价值越来越受到重视。

3、液态金属中各组分的氧化物可作为半导体材料，例如：氧化镓(ga2o3)、氧化铟(in2o3)、氧化锡(sno2)等。其中，氧化镓(ga2o3)作为新一代的宽带隙半导体材料，具有广阔的应用前景。液态金属在大气环境中会形成一层自限性的氧化物薄膜，已经有学者利用液态金属的流动性及其表面氧化物来制备半导体(例如cn201210357280.2、doi：10.1002/pssr.201900271、doi：10.1126/science.aao4249等)。然而，以上利用液态金属制备半导体材料的方法仍然存在效率低等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种液态金属氧化物半导体材料及其制备方法，通过使用液态金属作为阳极反应物，在溶液环境中利用电化学方法将液态金属(ga，gain，gainsn等)氧化为对应的半导体氧化物，再经过后续清洗、除杂、提纯、干燥等处理，即可获得对应液态金属氧化物半导体材料，该制备方法流程简单，无需使用昂贵设备，能够快捷高效地利用液态金属获得较多的液态金属氧化物半导体材料。

2、具体而言，本发明首先提供了一种液态金属氧化物半导体材料的制备方法，包括以下步骤：

3、1)提供电解槽、阴极和阳极；

4、2)将液态金属和电解质溶液加入电解槽中，所述阴极接触所述电解质溶液，所述阳极接触所述液态金属；

5、3)在所述阴极和所述阳极两端施加电压以便对所述液态金属进行阳极氧化；

6、4)把电源的正负极对调，在所述阴极和所述阳极两端施加电压，然后使所述阳极氧化过程中形成的阳极氧化膜脱离液态金属进入电解质溶液中；

7、5)将阳极氧化膜从电解质溶液中分离，即得液态金属氧化物半导体材料；其中，所述电解质溶液对于所述阳极氧化膜基本不溶解。

8、本发明的制备方法中，由于液态金属的密度较大，在重力作用下容器中会自发分为上层电解液和下层液态金属两层。采用上述方法对液态金属进行阳极氧化，液态金属氧化物膜将在液态金属和电解液的界面中生成。在需要脱离氧化物膜时，将电源正负极对调，即液态金属与电源负极相连，反向电解一段时间(1-10s)，液态金属在电场作用下，表面张力以及表面形状将会产生变化(表面张力变化可以由lippman方程描述，)，并可以形成marangoni流，促进表面氧化物膜从液态金属表面脱离(氧化物膜和液态金属机械性能不一样)。

9、作为优选，步骤4)中，通过超声、变化磁场或搅拌的方式扰动所述液态金属表面，改变液态金属表面溶液环境，使阳极氧化过程中形成的阳极氧化膜脱离液态金属进入电解质溶液中。

10、作为优选，所述液态金属在进行阳极氧化时保持为液态。实际中，考虑到液态金属的过冷度，液态金属在进行阳极氧化时的温度可保持在液态金属熔点的-40℃～+100℃范围。

11、作为优选，采用1v～200v的直流电源在所述阴极和所述阳极两端施加电压。

12、作为优选，所述电解质溶液包括电离盐和溶剂，所述电离盐为硫酸盐、碳酸盐、硼酸盐、铬酸盐、钼酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐、乙二酸盐、卡波姆、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种的混合，所述溶剂为水、醇类物质中的一种或多种的混合。

13、作为优选，所述电解质溶液的浓度为0.01wt％～10wt％。

14、作为优选，所述液态金属的熔点低于300℃，且为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、铁、钴、镍、锰、钛、钒、铈、铕、铪、钽、钪、钇、铒、铥、钬、镥、铽、镝、铌、钐、镱、镨、钕、镧、铀、铼、硼、铬、锆、钆中的一种或多种单质形成的导电流体，或者与流体分散剂形成的导电流体。当采用多种液态金属形成的合金作为液态金属原料，液态金属中电活性强的组分将优先被氧化成氧化物，故合金型液态金属由于其中各组分电活性差异，最终可同时获得多种液态金属氧化物半导体材料。

15、作为优选，所述阴极和所述阳极的材质各自独立地选自金属材料、碳基材料或陶瓷材料，更优选为石墨、不锈钢、钨、钛、铂、银、铜、或镍。

16、本发明还提供一种液态金属氧化物半导体材料，其通过上述制备方法制备得到。

17、本发明的有益效果在于：

18、本发明提供的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，流程简单，无需使用昂贵设备，成本低，能够快捷高效地利用液态金属获得较多的液态金属氧化物半导体材料，同时，不同产物可以根据不同的液态金属组分来获得，原材料对应其氧化物。

技术特征：

1.一种液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，通过超声、变化磁场或搅拌的方式扰动所述液态金属表面，以使阳极氧化过程中形成的阳极氧化膜脱离液态金属进入电解质溶液中。

3.根据权利要求1或2所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属在进行阳极氧化时保持为液态。

4.根据权利要求1-3任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，采用1v～200v的直流电源在所述阴极和所述阳极两端施加电压。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述电解质溶液包括电离盐和溶剂，所述电离盐为硫酸盐、碳酸盐、硼酸盐、铬酸盐、钼酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐、乙二酸盐、卡波姆、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或多种的混合，所述溶剂为水、醇类物质中的一种或多种的混合。

6.根据权利要求1-5任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述电解质溶液的浓度为0.01wt％～10wt％。

7.根据权利要求1-6任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述液态金属的熔点低于300℃，且为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、铁、钴、镍、锰、钛、钒、铈、铕、铪、钽、钪、钇、铒、铥、钬、镥、铽、镝、铌、钐、镱、镨、钕、镧、铀、铼、硼、铬、锆、钆中的一种或多种单质形成的导电流体，或者与流体分散剂形成的导电流体。

8.根据权利要求1-7任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述阴极和所述阳极的材质各自独立地选自金属材料、碳基材料或陶瓷材料。

9.根据权利要求8所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法，其特征在于，所述阴极和所述阳极的材质各自独立地选自石墨、不锈钢、钨、钛、铂、银、铜、或镍。

10.一种液态金属氧化物半导体材料，其特征在于，通过权利要求1-7任一项所述的液态金属氧化物半导体材料的制备方法制备得到。

技术总结本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种液态金属氧化物半导体材料及其制备方法。包括以下步骤：提供电解槽、阴极和阳极；将液态金属和电解质溶液加入电解槽中，所述阴极接触所述电解质溶液，所述阳极接触所述液态金属；在所述阴极和所述阳极两端施加电压以便对所述液态金属进行阳极氧化；把电源的正负极对调，在所述阴极和所述阳极两端施加电压，使所述阳极氧化过程中形成的阳极氧化膜脱离液态金属进入电解质溶液中，并从电解质溶液中分离，即得液态金属氧化物半导体材料；其中，所述电解质溶液对于所述阳极氧化膜基本不溶解。该制备方法流程简单，无需使用昂贵设备，能够快捷高效地利用液态金属获得较多的液态金属氧化物半导体材料。技术研发人员：周柱泉,刘静受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/8