氮化镓

一维氮化镓纳米材料1研究背景2制备方法3生长机制目录4应用现状、前景1.研究背景继以第一代硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料和以第二代砷化镓基（GaAs）、磷化铟基（InP）等化合物半导体材料之后，以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料成为了第三代半导体。清华大学范守善研究组于1997年率先用气相-模板方法合成了氮化镓纳米棒。用氨气和Ga2O的蒸气在碳纳米管存在下反应,成功合成出直径4～50nm,长度可达25μm的纳米棒。2014年诺贝尔物理学奖，日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二基于GaN发明“高亮度蓝色发光二极管”共同获得。1.研究背景-GaN的性质GaN是极稳定的化合物，材质坚硬，熔点高（约为1700℃），有六方纤锌矿、立方闪锌矿、立方岩盐三种晶体结构。立方岩盐结构生长条件苛刻难以获得，一般在极高压力合成。常见的GaN晶体结构有晶格堆垛方式为ABCABC…的亚稳相立方闪锌矿结构，堆垛方式为ABABAB…的热力学稳定相六方纤锌矿结构。堆叠方式的不同，两种晶体结构的GaN电学性质也不相同。GaN具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐射能力。2.制备方法目前制备GaN一维纳米材料的方法有模板法、激光辅助催化生长法、分子束外延(MEB)、反应离子刻蚀法与气相法，其中由于气相法制备的纳米材料结晶质量较高、具有稳定的表面质量，制备一维纳米材料方面有比较好的应用前景。气相法包括化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD）、氢化物气相外延(HVPE）等。2.制备方法1.模板法模板法是利用模板引导材料生长，而形成一维纳米结构。常用生长GaN纳米线的的模板有碳纳米管模板、ZnO纳米线模板、多孔氧化铝模板(AAO)等；1997年，范守善等人采用碳纳米管为模版，通过限制Ga2O蒸气与NH3在碳纳米管中发生反应制备了六方纤锌矿结构的GaN纳米棒;2003年，Goldberger研究组以ZnO纳米线阵列做模板，得到单晶GaN纳米管。2.激光辅助催化生长法激光辅助催化法是气-液-固合成法的一种。该方法首先通过用脉冲激光气化包含欲制得材料与催化剂的固体靶,得到液态纳米束状物。在更高的温度下,由这种束状物引导纳米线的生长,同时确定了纳米线的直径。通过脉冲激光烧蚀GaN/Fe的靶材制备可大量六方纤锌矿结构的单晶GaN纳米线。2.制备方法3.气相法化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是利用加热、等离子体激励或光辐照等方法使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并沉积在适当基底上的方法。在氮气和氨气气氛中，加热镓源使之成为气态；气态的镓源与氮源在负载有催化剂的基底上沉积形成GaN纳米结构；催化剂通常为过渡金属或者其氧化物。金属有机化学气相沉积（MOCVD）MOCVD是在气相外延的基础上发展起来的一种新型的气相外延技术，以金属有机化合物和氢化物为晶体生长源材料，被载气输送到加热衬底上，生热分解反应在衬底上进行气相外延。一般采用三甲基镓（TMGa）和氨气分别作为Ga源和N源，氢气和氮气分别作为载气.氢化物气相外延（HVPE）HVPE不同于MBE与MOCVD的是Ga源，Ga源通常为Ga的氯化物，或气氛中存在同时存在Ga与HCl，N源为NH3，在Si、蓝宝石等基底上外延生长。2.制备方法4.分子束外延生长法分子束外延通常采用Ga的分子束为Ga源，NH3或者等离子束流为N源，原料随氢气和氮气进入反应室在一定温度的基底上吸附成核生长。这种方法生长温度低，生长速率缓慢。5.反应离子刻蚀法通过选择性地刻蚀生长在基底材料上的薄膜从而得到所需的纳米结构，利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术可在Al2O3（0001）面的GaN外延层上制备直径可控、密度可控的GaN纳米线。3.生长机制一、气-液-固(VLS)生长机制利用金(Au)纳米颗粒作为催化剂通过VLS机制合成GaN示意图首先基底上镀一层Au膜作为材料生长的催化剂，在200℃时其将融化形成Au液滴，Au液滴的大小在一定程度上可以决定合成GaN一维结构的形态。随着系统中Ga与N的引入，Ga与Au形成液相合金后不断吸附Ga、N原子达到饱和后在基底与液相合金界面析出成核。随着Ga、N不断的吸附、析出过程，GaN不断生长形成纳米线。3.生长机制二、气-固(VS)生长机制生长过程中，材料经热蒸发、化学分解或化学反应形成气相后被惰性载气输运到基底上方，然后在基底上冷凝沉淀、逐渐生长成一维纳米材料。这一方法主要是通过金属镓和流动的氨气直接反应或者Ga2O3和碳粉末发生氧化还原反应制备GaN纳米线。通过VS过程得到的纳米线，端部无催化颗粒存在，此产物的纯度较高。VS生长过程受气相压力、流速的影响，难控制住尺寸，重复性较差。4.应用现状、前景GaN材料是宽禁带半导体材料，为直接带隙半导体材料，光跃迁几率比间接带隙的高约一个数量级，具有优良的化学和电学性质、良好的材料机械性能、高电子饱和速度、高热导率等优良性质，在光电领域应用广泛。1.场效应晶体管目前，随着MBE、MOCVD等外延技术的发展，通过生长多种异质结构已成功开发GaN基多种场效应晶体管，在航空、石油勘探、自动化、通信等领域必将发挥着不可或缺的重要作用。4.应用现状、前景2.激光器GaN是制作从紫外到可见光波段半导体激光器的理想材料。纳米激光器是纳米级的半导体激光发射器，应用于超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、通信技术的研发等多个领域。3.LED随着LED应用的越来越广泛，显示领域要求其有更好的显色性能，照明领域需要其具有更高的转换效率，端恶劣环境中的应用要求其具有较好的稳定性等。GaN作为直接跃迁型半导体材料，有禁带宽度大、电子饱和速率高、击穿电场高、热导率高以及物理化学性质稳定等优点，认为是制作LED器件的最佳材料。4.应用现状、前景4.光探测器与SiC、金刚石等半导体材料相比，GaN用于紫外光探测器有诸多优势，如较高的量子效率、信号陡峭、噪声低、边带可调等优势，从而可以很好的提高紫外光探测的灵敏度。GaN基紫外光探测器被广泛应用于空间通讯、臭氧监测、水银灯消毒监控、污染监测、激光探测器和火焰传感等方面。一维GaN纳米材料因其独特的性质，以及制作纳米器件的应用前景而备受关注，是实现高温与大功率、高频及抗辐射、全波长光电器件的理想材料，在高电子迁移率纳米电子器件、全色平板显示等领域具有广泛的应用前景。由于GaN是宽禁带半导体，极性太大，则较难以通过高掺杂来获得较好的金属-半导体的欧姆接触，这是GaN器件制造中的一个难题，故GaN器件性能的好坏往往与欧姆接触的制作结果有关。目前一些基础性的研究工作虽然取得了良好进展，但仍需进一步的加强研究。4.应用现状、前景谢谢