一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法技术

本发明专利技术公开了一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其是对带有绝缘层的硅衬底表面进行疏水性处理后，再通过紫外曝光光刻技术，在衬底上定位需要生长钙钛矿薄膜阵列的区域，形成具有阵列窗口的光刻胶层，然后利用氧等离子体轰击衬底，使窗口区域亲水化；最后去除光刻胶，旋涂钙钛矿前驱体溶液并退火，即形成钙钛矿薄膜阵列。本发明专利技术结合紫外曝光光刻技术，选择性实现衬底表面的亲水化处理，为薄膜阵列的定位生长提供了一种非常简便可行的方式，为光电传感器阵列的制备提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法
本专利技术属于钙钛矿薄膜生长的
，具体涉及一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法。
技术介绍
光电探测器是将光信号转化为电信号的半导体器件，在日常生活、国民经济和军事领域均有着极为重要的作用。基于单个光电探测器的多像素点传感器阵列，由于能够实现大面积、多种类的光电探测，有效的改善了单个光电探测器探测范围小、功能单一的缺点，可应用于图像传感、实时成像等领域，因而有着更为广泛的应用。传统传感器阵列为了实现像素点的定位，通常需要经历多次定位光刻过程来实现半导体材料的选择性沉积、刻蚀等，或者通过光刻工艺定位像素点从而实现半导体材料的定位生长。近年来，钙钛矿作为一种新兴的材料，由于吸收系数高、带隙可调、电荷传播距离长以及光电转换效率高的特点，被广泛的应用在光电器件领域。南京理工大学曾海波教授(Adv.Mater.,2016,28,4861)就曾通过打印的方式，实现柔性衬底上少层无机钙钛矿材料CsPbBr3高性能光电探测器的制备，该探测器上升时间19μm、下降时间24μm、开关比高达104且良好的可重复性和稳定性。合肥工业大学罗林保教授也曾通过旋涂法实现了基于FA0.85Cs0.15PbI3钙钛矿薄膜的自驱动光电探测器的制备(Adv.Opt.Mater.,2017,5,1700654)。然而由于钙钛矿材料本身的特性，其生长完成之后不能接触水等溶剂，这使得传统的半导体工艺如紫外曝光光刻等，不能用于钙钛矿阵列结构的生长，这在很大程度上限制了钙钛矿材料在光电探测器阵列领域的应用。2016年，范智勇教授利用阳极氧化铝为模板，通过两步法，实现了具有1024个像素点的MaPbI3三维传感器阵列制备(Adv.Mater.,2016,28,9713)，成功探讨了钙钛矿阵列作为图像传感器的应用。然而复杂的阳极氧化铝模板的制备过程不容忽视，而且钙钛矿阵列与像素点并非一一对应，因此传感器阵列生长的可控性仍有待于进一步提升。迄今为止，基于钙钛矿薄膜的阵列结构的一步法可控生长，仍鲜有报道。
技术实现思路
在现有技术存在的基础之上，本专利技术旨在构建一种简单的、定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，所要解决的技术问题是通过衬底表面选择性亲水处理，实现钙钛矿薄膜阵列的定位生长，这在光电传感器阵列的制备领域有着重要的意义。本专利技术解决技术问题，采用如下技术方案：本专利技术定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特点在于：以表面覆盖有绝缘层的单晶硅为基底，对基底进行疏水性处理后，在所述绝缘层上旋涂光刻胶并通过紫外曝光光刻技术，在所述绝缘层上定位需要生长钙钛矿薄膜阵列的区域，形成具有阵列窗口的光刻胶层；然后用氧等离子体对阵列窗口进行亲水性处理，使阵列窗口区域亲水化；再去除光刻胶层，旋涂钙钛矿前驱体溶液，最后经退火，即在阵列窗口处实现钙钛矿薄膜的生长，获得钙钛矿薄膜阵列。进一步地：所述钙钛矿薄膜为FAxCs1-xPbI3(0≤x≤1)、CsPbBr3、CsBi3I10或其离子掺杂的产物；所述前驱体溶液浓度为0.5-2mol/L。进一步地：所述单晶硅为单面抛光，抛光面的表面粗糙度不大于1nm；所述绝缘层为SiO2绝缘层、Si3N4绝缘层、HfO2绝缘层或Al2O3绝缘层，所述绝缘层的电阻率不小于1×103Ω·cm、厚度为100-500nm。进一步地：所述疏水性处理是对所述基底表面进行深度清洁；或所述疏水性处理是对所述基底的表面进行深度清洁后，再涂布硅烷偶联剂进行表面改性处理。更进一步地：所述深度清洁是先用有机溶剂对基底进行浸泡、超声处理以去除有机污染物，再用去离子水超声以去除物理吸附的污染物，最后再用去离子水冲洗、吹干；或：所述深度清洁是先用电子清洗剂对基底进行浸泡、超声处理以去除各类污染物，然后再用去离子水冲洗、吹干。所述涂布硅烷偶联剂是将基底在体积浓度为0.1％-10％的硅烷偶联剂的甲苯或乙醇溶液中，室温浸泡10min后，加热到60-150℃保持30min以上。再进一步地：所述硅烷偶联剂为二苯基甲基氯硅烷或十八烷基三氯硅烷；所述有机溶剂为三氯甲烷、丙酮或无水乙醇；所述电子清洗剂为DZ-1或DZ-2。进一步地：所述阵列窗口通过旋涂光刻胶、紫外曝光光刻及显影过程来形成；所述光刻胶的厚度不小于1μm；各窗口的尺寸不小于50μm*50μm，相邻窗口之间的最小距离不小于窗口尺寸。进一步地：所述亲水性处理，是利用等离子体清洗机或者反应离子刻蚀系统，通过氧等离子体轰击阵列窗口区域，形成清洁表面，并形成悬挂的羟基。更进一步地：所述等离子体清洗机的工作条件为：氧气流量为2.5sccm，溅射功率18W，溅射50min；所述反应离子刻蚀系统的工作条件为：氧气流量为20sccm，溅射功率为50W，溅射5min。进一步地：所述退火是在135℃的条件下退火10min。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术通过简单的疏水和亲水处理，结合紫外曝光光刻技术，成功实现了钙钛矿薄膜阵列的定位生长，为基于其的光电传感器阵列的制备提供了一种新的思路。2、本专利技术与现行硅半导体工艺具有良好的兼容性，易于实现器件在现有集成电路芯片上的集成。附图说明图1为本专利技术定位生长钙钛矿薄膜阵列的流程图，其中：1为单晶硅，2为绝缘层，3为具有阵列窗口的光刻胶层，4为氧等离子体，5为亲水性区域，6为钙钛矿薄膜阵列。图2为本专利技术实施例1中定位生长的大小为300μm×300μm的5×5阵列结构的SEM照片。图3为本专利技术实施例1中定位生长的阵列结构的台阶仪水平扫描图谱。图4为本专利技术实施例2中定位生长的大小为100μm×100μm的10×10阵列结构的SEM照片。图5为本专利技术实施例2中定位生长的阵列结构的台阶仪水平扫描图谱。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明，下述实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1参见图1，本专利技术的钙钛矿阵列是以表面覆盖有绝缘层2的单晶硅1为基底，对基底进行疏水性处理后，在绝缘层上旋涂光刻胶并通过紫外曝光光刻技术形成具有阵列窗口的光刻胶层3；然后用氧等离子体4对阵列窗口进行亲水性处理，使阵列窗口处形成亲水性区域5；再去除光刻胶层，旋涂钙钛矿前驱体溶液，最后经退火，即在阵列窗口处实现钙钛矿薄膜的生长，获得钙钛矿薄膜阵列6。具体步骤如下：(1)取表面覆盖有300nmSiO2绝缘层(电阻率1×103Ω·cm)的单晶硅(单面抛光，抛光面的表面粗糙度不大于1nm)作为基底，对基底进行如下疏水性处理：首先用去离子水冲洗基底，然后将基底放在电子清洗剂DZ-1中浸泡30min、超声10min；随后用去离子水冲洗5min；再在电子清洗剂DZ-2中浸泡30min、超声10min；最后再用去离子水冲洗5min后，氮气吹干。(2)亲水性处理后，在绝缘层上旋涂AR-5350正胶光刻胶(旋涂条件：低速600rpm旋涂9s，高速3000rpm旋涂30s，光刻胶厚度约1μm)，然后使用特定掩膜版(根据所需钙钛矿薄膜阵列的尺寸来定)紫外曝光后，显影得到具有阵列窗口的光刻胶层。(3)用氧等离子体对阵列窗口进行亲水性处理，使阵列窗口处形成亲水区域：将光刻后的基片放入等离子体清洗机(PDC-32G)内，腔体抽真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：以表面覆盖有绝缘层的单晶硅为基底，对基底进行疏水性处理后，在所述绝缘层上旋涂光刻胶并通过紫外曝光光刻技术，在所述绝缘层上定位需要生长钙钛矿薄膜阵列的区域，形成具有阵列窗口的光刻胶层；然后用氧等离子体对阵列窗口进行亲水性处理，使阵列窗口区域亲水化；再去除光刻胶层，旋涂钙钛矿前驱体溶液，最后经退火，即在阵列窗口处实现钙钛矿薄膜的生长，获得钙钛矿薄膜阵列。

【技术特征摘要】
1.一种定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：以表面覆盖有绝缘层的单晶硅为基底，对基底进行疏水性处理后，在所述绝缘层上旋涂光刻胶并通过紫外曝光光刻技术，在所述绝缘层上定位需要生长钙钛矿薄膜阵列的区域，形成具有阵列窗口的光刻胶层；然后用氧等离子体对阵列窗口进行亲水性处理，使阵列窗口区域亲水化；再去除光刻胶层，旋涂钙钛矿前驱体溶液，最后经退火，即在阵列窗口处实现钙钛矿薄膜的生长，获得钙钛矿薄膜阵列。2.根据权利要求1所述的定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：所述钙钛矿薄膜为FAxCs1-xPbI3(0≤x≤1)、CsPbBr3、CsBi3I10或其离子掺杂的产物；所述前驱体溶液浓度为0.5-2mol/L。3.根据权利要求1所述的定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：所述单晶硅为单面抛光，抛光面的表面粗糙度不大于1nm；所述绝缘层为SiO2绝缘层、Si3N4绝缘层、HfO2绝缘层或Al2O3绝缘层；所述绝缘层的电阻率不小于1×103Ω·cm、厚度为100-500nm。4.根据权利要求1所述的定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：所述疏水性处理是对所述基底表面进行深度清洁；或：所述疏水性处理是对所述基底的表面进行深度清洁后，再涂布硅烷偶联剂进行表面改性处理。5.根据权利要求4所述的定位生长钙钛矿薄膜阵列的方法，其特征在于：所述深度清洁是先用有机溶剂对基底进行浸泡、超声处理以去除有机污染物，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春艳，王振宇，方诒强，朱韬略，冯雨舟，谢超，罗林保，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34