氮化物材料
氮化物一元陶瓷涂层的缺点
氮化物一元陶瓷涂层的缺点
氮化物一元陶瓷涂层是一种在工业和科学领域广泛应用的材料，它具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优点。
然而，正如任何其他材料
一样，氮化物一元陶瓷涂层也存在一些缺点。
首先，氮化物一元陶瓷涂层的制备成本较高。
由于其制备过程
需要高温、高压等特殊条件，以及高纯度的原材料，这些因素都导
致了生产成本的增加。
这使得氮化物一元陶瓷涂层的价格相对较高，限制了其在一些领域的广泛应用。
其次，氮化物一元陶瓷涂层在加工过程中比较脆弱。
虽然它具
有高硬度和耐磨损的特性，但在一些情况下，由于其脆性较大，容
易出现开裂或剥落的问题。
这就要求在实际应用中需要更加小心谨
慎地处理和使用，以避免涂层的损坏。
此外，氮化物一元陶瓷涂层的耐热性和导热性相对较差。
在高
温环境下，特别是在氧化性气氛中，氮化物一元陶瓷涂层容易发生
氧化和热膨胀，从而降低了其性能。
同时，由于其导热性较差，可
能会导致在高温条件下难以散热，影响其使用寿命和稳定性。
综上所述，氮化物一元陶瓷涂层虽然具有诸多优点，但也存在着一些缺点，如制备成本高、脆弱易损、耐热性和导热性较差等。
因此，在实际应用中需要综合考虑其优缺点，选择合适的材料和工艺来满足具体的需求。
无机非金属材料的分类
无机非金属材料的分类无机非金属材料是指不含金属元素的无机材料，包括陶瓷、玻璃、高分子材料等。
根据其化学成分和结构特点，可以将无机非金属材料分为以下几类：1. 氧化物材料氧化物材料是指由氧元素和其他元素组成的化合物，如二氧化硅、氧化铝、氧化锌等。
这类材料具有高熔点、高硬度、高耐腐蚀性等特点，广泛应用于电子、光学、陶瓷等领域。
2. 碳化物材料碳化物材料是指由碳元素和其他元素组成的化合物，如碳化硅、碳化钨等。
这类材料具有高硬度、高耐磨性、高耐高温性等特点，广泛应用于切削工具、陶瓷等领域。
3. 氮化物材料氮化物材料是指由氮元素和其他元素组成的化合物，如氮化硅、氮化铝等。
这类材料具有高硬度、高耐磨性、高耐高温性等特点，广泛应用于电子、光学、陶瓷等领域。
4. 硼化物材料硼化物材料是指由硼元素和其他元素组成的化合物，如硼化硅、硼化铝等。
这类材料具有高硬度、高耐磨性、高耐高温性等特点，广泛应用于切削工具、陶瓷等领域。
5. 硅酸盐材料硅酸盐材料是指由硅元素、氧元素和其他元素组成的化合物，如石英、长石等。
这类材料具有高硬度、高耐磨性、高耐高温性等特点，广泛应用于建筑、陶瓷等领域。
6. 玻璃材料玻璃材料是指由硅元素、氧元素和其他元素组成的无定形物质，如玻璃、光纤等。
这类材料具有透明、硬度低、易加工等特点，广泛应用于光学、建筑、电子等领域。
总之，无机非金属材料具有多种不同的分类方式，每种分类方式都有其独特的特点和应用领域。
在未来的发展中，无机非金属材料将继续发挥重要作用，为各个领域的发展做出贡献。
【精品文章】纳米氮化硼(BN)的特性与应用简介
其强化学惰性和抗氧化性使它在油污燃烧后可以重复使用。 图 8 a 氮化硼纳米片对乙醇、甲苯、泵油、机油和乙二醇五种污染物的吸 附能力；b 多孔氮化硼纳米片和其他吸附材料性能对比，非多孔氮化硼纳米 片、商用块体氮化硼、活性炭 4、储氢材料 氢气是目前最清洁的能源，对解决大气污染问题有着光明的发展前景。 如何能够安全有效的使用和储存氢气，是研究者首要解决的问题。用三聚 氰胺和硼酸作为前驱体，在 900-1100℃制备了多孔 BN 纳米带，比表面积 高达 1488m2/g，是已报道的氮化硼家族中比表面积最大的，其储氢性能也 非常卓越。图 9 所示是氮化硼纳米带的形貌和氢气吸附-脱附曲线。 图 9 氮化硼纳米带的形貌和氢气吸附-脱附曲线 作为一种先进的纳米材料和陶瓷材料，氮化硼纳米材料以其优秀的物理 和化学性能受到了各个领域的青睐，在光电、环保及日化等领域也必将发 挥更重要的作用。我们需要在已有的研究和应用基础上，开拓思路，实现 氮化硼纳米材料的大规模、经济实惠、零污染合成，促进广泛应用。 作者：弋木 参考文献： 1、氮化硼纳米片的制备及其性质研究，杜淼，山东大学。 2、多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用，谢飞，北京理 工大学。 3、氮化测纳米片的规模化制备工艺探索，张平奇，大连理工大学。 4、氮化硼纳米结构的制备和性能，李娟，广西大学。 5、氮化硼纳米材料的制备及性能研究，袁颂东，华中科技大学。
纳米氮化硼（BN）的特性与应用简介
氮化硼，化学式 BN，一种非氧化物的材料，是碳(C2)的等电子体，其 晶体的晶型结构与石墨相似，是目前研究和应用较多的氮化物陶瓷材料之 一。根据晶体结构类型，BN 主要包括：六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(cBN)、斜方氮化硼(r-BN)、纤锌矿氮化硼(w-BN)。 图 1 氮化硼晶型结构参数 一、氮化硼具有哪些特性呢？ 作为石墨的结构类似物，BN 某些理化性能却比石墨更加优异。BN 的性 能如下： 1、热学性能 （1）高耐热性：空气中抗氧化温度高达 900℃，惰性环境下在 18002000℃开始分解； （2）高导热性：良好的导热性，使 BN 成为陶瓷材料中导热最佳的材料 之一； （3）低热膨胀系数：膨胀系数为 10-6，仅次于石英，是陶瓷中最小的。 2、电学性能 （1）高温绝缘性好；2000℃下电阻为 104Ω/cm，陶瓷中最好的高温绝缘 材料， （2）良好的介电性能：介电常数为 4，能透微波，常用作雷达天线的外 保护层。 3、化学稳定性 （1）BN 与大多数氧化剂、无机酸/碱不发生化学反应，呈现化学惰性，
二维材料;氮化物;综述
二维材料;氮化物;综述一、引言二维材料是指晶体结构在垂直于晶体生长方向上只有一层原子或分子厚度的材料。
这些材料具有独特的电子、光学和力学性质，因此在能源、电子器件和传感器等领域具有广泛的应用前景。
氮化物是一类重要的二维材料，由氮原子和金属原子组成，具有优异的物理和化学性质。
本文将对氮化物作一综述，探讨其在不同领域的应用和研究进展。
二、氮化物的结构和性质氮化物的结构可以分为两种类型：一种是具有共价键结构的氮化物，如氮化硼（h-BN）和氮化铝（AlN）；另一种是具有离子键结构的氮化物，如氮化镓（GaN）和氮化铟（InN）。
这些材料具有较大的禁带宽度和优异的导电性能，同时具有优异的热导率、机械强度和化学稳定性。
三、氮化物的制备方法制备氮化物的方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法等。
物理气相沉积方法可以通过在高温下将金属和氮气反应制备氮化物。
化学气相沉积方法则通过在低压下控制气体反应制备氮化物。
溶液法是一种简单、低成本的制备方法，可以通过将金属溶解在溶剂中，然后加入氮源，最后通过热处理得到氮化物。
四、氮化物在能源领域的应用由于氮化物具有较大的禁带宽度和优异的导电性能，因此在能源领域具有广泛的应用前景。
氮化物可以作为光电催化剂，用于太阳能光解水制氢。
此外，氮化物还可以作为电池材料，用于锂离子电池和超级电容器等能量存储设备。
五、氮化物在电子器件领域的应用氮化物具有优异的电子性能和热稳定性，因此在电子器件领域有广泛的应用。
氮化物可以作为高电子迁移率晶体管（HEMT）的材料，用于高频功率放大器和射频开关等器件。
此外，氮化物还可以用于制备发光二极管（LED）和激光器等光电器件。
六、氮化物在传感器领域的应用氮化物具有优异的化学稳定性和机械强度，因此在传感器领域有广泛的应用。
氮化物可以用于气体传感器，通过吸附目标气体来改变电学性能，实现对气体的检测。
此外，氮化物还可以用于压力传感器、湿度传感器和光学传感器等多种传感器设备。
氮化物材料的制备方法和性质研究
氮化物材料的制备方法和性质研究氮化物是一种重要的功能材料，在电子、光电、热电、结构材料等领域都有广泛的应用。
随着科技的发展和对新材料需求的不断增加，氮化物材料的制备方法和性质研究也得到了极大的关注和研究。
一、制备方法1、氨气氛法氨气氛法是一种生长大面积氮化物薄膜的传统方法，该方法可用于MOCVD、MBE和反应磁控溅射等技术中。
在氨气氛法中，氨气被加热至700℃至1000℃，使其分解为氮和氢离子，通过在半导体表面沉积形成氮化物材料。
2、激光脉冲沉积法激光脉冲沉积法是一种新型氮化物材料制备方法，其使用激光脉冲瞬间把靶材料蒸发，使得蒸汽部分在衬底表面沉积形成氮化物。
该方法既适用于薄膜制备，也适用于三维结构从而实现生长单晶，可大幅降低晶体缺陷密度。
3、物理气相沉积法物理气相沉积法是一种常用的氮化物材料制备方法，其原理是在高温下使用惰性气体浸泡靶材料，并通过高功率电弧放电的形式将靶材料蒸发，通过化学反应形成氮化物材料，以及其他化合物。
4、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种在化学气氛下实现氮化物薄膜、纤维以及碳化物制备的方法。
这种方法主要是通过化学反应过程，利用化学气相成分，在衬底表面沉积形成薄膜、纤维以及碳化物。
二、性质研究1、热处理效果对氮化物材料进行热处理具有极大的影响。
通常，氮化物材料的热稳定性是非常脆弱的。
在高温下，氮化物材料中的组分会因脱氮而流失，从而导致损失。
2、光学性质氮化物材料在光学性质上也有广泛的应用。
氮化物具有很高的折射率和较大的离子键结合能，使其在太阳能电池、光电显示、激光器等设备中有广泛的应用。
3、力学性能氮化物材料具有良好的强度和耐磨性，使其在机械设备中具有广泛的应用。
通过将氮化物材料使用不同的方法制备，可以实现材料的强度和韧性之间的平衡，从而使其在机械设备中具有更好的性能表现。
4、电学性质氮化物材料在电学性质上也有广泛的应用。
氮化物材料的电学性质可通过材料的结构和化合物组成来进行调控。
h13氮化检测标准
h13氮化检测标准氮化检测标准是用来评估材料或制品中氮化物含量的质量控制标准。
氮化物是指由氮气和其他元素形成的化合物，常见的氮化物有氮化硼、氮化铝、氮化硅等。
这些氮化物具有独特的物理和化学性质，对于材料的性能和应用具有重要影响。
因此，为了确保材料质量和产品性能的稳定性，需要制定相关的氮化物检测标准。
一、氮化物检测方法的选择：1. 光谱法：采用光谱分析仪器，通过测量样品的发射光谱或吸收光谱来确定氮化物的含量。
光谱法具有分析速度快、准确度高、灵敏度高的优点，适用于大批量样品的快速检测。
2. 气体分析法：利用气相色谱、质谱仪等气体分析仪器对样品中的氮化物进行分析。
气体分析法可以测量氮化物的浓度，也可以分析氮化物的组成和结构。
3. X射线衍射法：通过测量材料中的X射线衍射图谱，确定氮化物的晶体结构和含量。
X射线衍射法可以提供氮化物晶体的定性和定量信息，适用于研究氮化物的晶体形态和晶体质量。
4. 电子显微镜：利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等电子显微镜技术观察材料中的氮化物颗粒形态和分布情况。
电子显微镜可以提供氮化物颗粒的形貌信息，有助于评估材料的氮化物含量和分布均匀性。
二、氮化物检测标准的制定：1. 合格标准：根据材料的用途和要求，制定合格标准来评估氮化物含量的合格范围。
合格标准可以根据材料性能的要求来确定，包括氮化物含量的上限和下限，以及其对材料性能的影响程度。
2. 检测方法标准：制定氮化物检测方法的标准，包括样品采集、制备和处理的要求，仪器设备和仪器操作的规范，以及数据分析和结果判定的方法。
检测方法标准需要确保检测结果的准确性和可靠性，以提高氮化物检测的可比性和一致性。
3. 重复性和再现性评价：对于氮化物检测方法进行重复性和再现性评价，确定其检测结果的稳定性和可靠性。
重复性评价是在相同条件下重复测试同一样品，观察结果的一致性和偏差情况；再现性评价是在不同条件下测试同一样品，观察结果的一致性和偏差情况。
常见金属氮化物物理化学性质
氨气， Eu(OH)3 , Eu2O3
无
需在干燥空气气氛中保存
稀土金属氮化物
产品名称/化学名称
纯度/粒径/形态
CAS 登录号 化学式
电
分子量
光 测试
表观（颜色/形态） 粒径大小
福
利 ICP主元素分析（确定La组分含量）
TREN(稀土氮化物总量)
纯度
北
河 样品
稳定性
电
不稳定性影响因素
水、蒸汽、潮湿、水汽、酸
氨气， Dy(OH)3 , Dy2O3 无
需在干燥空气气氛中保存
稀土金属氮化物
产品名称/化学名称
纯度/粒径/形态
CAS 登录号 化学式
电
分子量
光 测试
表观（颜色/形态） 粒径大小
福
利 ICP主元素分析（确定Er组分含量）
TREN(稀土氮化物总量)
纯度
北
河 样品
稳定性
电
不稳定性影响因素
不相容性(应避免的材料) 危险分解产物 放射性 贮存条件
光 福 利
北
产品规格 稳定性
电
光
福 利 氮化镧
99.99%/-100目/粉末
北25764-10-7 LaN
河152.91g/mol 规格 黑色粉末 -100目 确定 99.5% 99.99%（基于TREN）
电 光 福
利
北 河 不稳定
室温时 N2/Ar 环境下稳定，空气中易氧化， 高湿度或潮湿空气会使LaN水解，生成La(OH)3 和氨
不相容性(应避免的材料) 危险分解产物 放射性 贮存条件
光 福 利
北
产品规格 稳定性
电
气体氮化材料和硬度对照表
气体氮化材料和硬度对照表引言：气体氮化材料是一类具有优异性能的材料，广泛应用于各个领域。
其中，硬度是评价材料性能的重要指标之一。
本文将介绍气体氮化材料的特性以及硬度对照表，并通过实例分析，阐述其在不同领域的应用。
一、气体氮化材料的特性气体氮化材料是通过在材料表面注入氮原子，使其发生化学反应，形成氮化物薄膜。
这种薄膜具有以下特性：1. 高硬度：气体氮化材料具有出色的硬度，能够抵抗外界压力和摩擦力的作用。
它的硬度通常比传统金属材料高出几倍甚至几十倍，成为制造耐磨损零件的理想选择。
2. 高耐磨性：气体氮化材料的硬度使其具有优异的耐磨性能。
它可以在高摩擦和高温环境下保持稳定的性能，延长零部件的使用寿命。
3. 优异的耐腐蚀性：气体氮化材料在接触腐蚀性介质时，不易发生氧化反应，具有较高的抗腐蚀性能。
这使得它在化学工业、电子设备等领域得到广泛应用。
4. 低摩擦系数：气体氮化材料具有较低的摩擦系数，能够减少零件间的摩擦和磨损，提高系统的运行效率。
二、气体氮化材料的硬度对照表下表列举了常见的气体氮化材料及其硬度数值，以便于对比和选择。
材料硬度（Hv）氮化钛 2000-2500氮化硅 1000-1500氮化铝 2000-2200氮化硼 3000-3500氮化钼 2500-3000三、气体氮化材料在不同领域的应用1. 机械工程领域：气体氮化材料的高硬度和耐磨性使其成为制造机械零部件的理想选择。
例如，氮化钛可以用于制造高速切削工具，提高切削效率和精度。
2. 电子工业领域：气体氮化材料具有优异的电绝缘性能和耐高温性能，适用于制造半导体器件和电子元器件。
氮化硅被广泛应用于制造集成电路、光电子器件等。
3. 航空航天领域：气体氮化材料的高硬度和耐腐蚀性使其可以承受极端环境下的高温、高压和腐蚀介质的侵蚀。
氮化铝和氮化硼被广泛应用于制造航空发动机零部件、导弹外壳等。
4. 化学工业领域：气体氮化材料的抗腐蚀性能使其成为制造化学容器和管道的理想材料。
氮化镓镓原子和氮原子的杂化方式
氮化镓(GaN)是一种金属氮化物半导体材料，它的晶体结构由镓原子和氮原子杂化而成。
在氮化镓晶体中，镓原子和氮原子是以二面体形式杂化在一起的。
这意味着每个镓原子周围都有四个氮原子，每个氮原子周围都有四个镓原子。
这种结构使得氮化镓具有优异的电子和光学性质，并使其成为一种重要的半导体材料。
在氮化镓晶体中，镓原子和氮原子之间的杂化可以被视为电子的"混合状态"。
这种混合状态导致了氮化镓的电子轨道有所变化。
对于氮化镓来说，最低能级的电子轨道是高对称的"空轨道"，它的电子密度分布在整个晶体中都是相等的。
而镓原子和氮原子之间的杂化使得"空轨道"变得不再对称，这导致了氮化镓晶体中电子的非均匀分布。
这种非均匀分布使得氮化镓具有优异的电子和光学性质，并使其成为一种重要的半导体材料。
此外，镓原子和氮原子之间的杂化还导致了氮化镓晶体中原子的非均匀分布。
在氮化镓晶体中，氮原子的原子半径比镓原子小得多，这导致了氮原子在晶体中的分布更为密集。
这种非均匀的原子分布对氮化镓的物理性质产生了重要的影响，例如压缩模量和热膨胀系数。
另外，由于氮化镓晶体中氮原子的原子半径比镓原子小，氮原子的电荷较大。
这使得氮原子在晶体中具有较大的电荷密度，对晶体的性质产生了重要的影响。
例如，氮化镓
晶体的电介质常数要比其他半导体材料大得多，这使得氮化镓具有优异的电介质性质。
5.5 氮化物陶瓷解析
氮化物陶瓷一般都有非常高的硬度，即使对于硬
和氧化物相比，氮化物抗氧化能力较差，从而限
制了其在空气中的使用。
氮化物的导电性能变化很大，一部分过渡金属氮
化物属于间隙相，其晶体结构与原来金属元素的 结构是相同的，氮则填隙于金属原子间隙之中， 它们都具有金属的导电特性。B、Si、Al元素的 氮化物则由于生成共价键晶体结构而成为绝缘体。
烧结助剂：MgO、Al2O3、Y2O3 烧结方法：常压烧结、气压烧结、热压烧结、反应烧 结、热等静压烧结
3. 性能与用途
在Si3N4结构中，氮原子与硅原子间的键力很强，因而， Si3N4具有许多优异性能如耐磨、高硬度、高强度、耐化 学腐蚀和很好的高温稳定性等。
氮化硅陶瓷的优异性能对于现代技术经常遇到的
高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊 的使用价值。因而使它在许多领域得到应用并有 许多潜在的用途。
（1）Si3N4陶瓷材料具有耐高温耐磨性能，在陶
瓷发动机中用于制备燃气轮机的转子、定子和涡形 管；无水冷陶瓷发动机中，用热压Si3N4做活塞顶 盖；用反应烧结Si3N4可做燃烧器，它还可用作柴 油机的火花塞、活塞罩顶、汽缸套、副燃烧室以及 活塞－涡轮组合式航空发动机的零件等。 （2）Si3N4陶瓷材料的化学稳定性很好，耐氢氟 酸以外的所有无机酸和某些碱液的腐蚀，也不被 铅、铝、锡、银、黄铜、镍等熔融金属合金所浸 润与腐蚀。因此它可以被广泛用于化工化学工业 上的制备耐蚀耐磨零件，如球阀、密封环、过滤 器、热交换器部件、管道、触媒载体等。
Si3N4强度和韧性优于SiC，但抗氧化性和高温强度
不及SiC。
2.制备技术
粉末合成：
Si3N4粉末的合成方法
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半导体材料的华丽家族_氮化镓基材料简介
半导体材料的华丽家族3———氮化镓基材料简介孙 殿 照(中国科学院半导体研究所材料中心 北京 100083)摘 要 G aN 基氮化物材料已成功地用于制备蓝、绿、紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温、大功率微波电子器件.由于该材料具有大的禁带宽度、高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热电效应的电子器件等.在20世纪80年代末和90年代初,在G aN 基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代G aN 基器件,特别是光电子和高温、大功率微波器件方面的迅猛发展.文章评述了G aN 基氮化物的材料特性、生长技术和相关器件应用.关键词 氮化镓,G aN ,宽禁带半导体EX OTIC FAMI LY OF SEMICON DUCTOR MATERIA LS———BRIEF INTR ODUCTION TO G a N BASE D MATERIA LSS UN Dian 2Zhao(Material Center ,Institute o f Semiconductor s ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100083,China )Abstract G aN based nitrides have been success fully used in blue Πgreen Πviolet light 2em itting devices ,UV solar 2blind optoelectronic detectors and high 2tem perature ,high 2power m icrowave electronic devices.Due to their large bandgaps ,high pyroelectronic and piezoelectronic efficiencies ,they also have strong potential for applications in other devices such as nonv olatile mem ories and in pyroelectronic and piezoelectronic devices.The breakthroughs achieved at the time around the end of the 1980s in the grow th technique of G aN based materials have led to significant progress in the 1990s of G aN 2based devices ,in particular ,optoelectronic devices and high 2tem perature ,high 2power m icrowave devices.A review is giv 2en here of the characteristics ,grow th techniques and various devices of G aN 2based nitride materials.K ey w ords G aN ,w ide 2bandgap sem iconductors3 2000-08-30收到初稿,2000-11-23修回1 氮化镓基材料的特点及其应用氮化镓基材料,或称氮化镓及其相关氮化物材料、Ⅲ-N 材料,是指元素周期表中ⅢA 族元素铝、镓、铟和V 族元素氮形成的化合物(G aN ,InN ,AlN )以及由它们组成的多元合金材料(In x G a 1-x N ,Al x G a 1-x N 等).这些化合物的化学键主要是共价键,由于两种组分在电负性上的较大的差别,在该化合物键中有相当大的离子键成分,它决定了各结构相的稳定性.Ⅲ族氮化物AlN ,G aN 和InN 可以结晶成下列三种结构:(1)纤锌矿(α相);(2)闪锌矿(β相);(3)岩盐矿.纤锌矿结构是由两套六方密堆积结构沿c 轴方向平移5c Π8套构而成,闪锌矿结构则由两套面心立方结构沿对角线方向平移1Π4对角线长度套构而成.这两种结构基本类似,每个Ⅲ(V )族原子都与最近邻的4个V (Ⅲ)族原子成键.其区别在于堆垛顺序.纤锌矿沿c 轴〈0001〉方向的堆垛顺序为ABABAB …,闪锌矿沿〈111〉方向的堆垛顺序为ABC ABC ….在通常的条件下,热力学稳定相是纤锌矿结构,而闪锌矿结构是亚稳态,只有在衬底上异质外延材料才是稳定的.两种结构的能量差序列是:ΔE (G aN )<ΔE (InN )<ΔE (AlN ),这表明在G aN 中混相问题最为严重.镓氮基材料是宽禁带半导体材料.纤锌矿结构的Ⅲ2N 材料都是直接带隙材料,随着合金组分的改变,其禁带宽度可以从InN 的119eV连续变化到G aN 的314eV ,再到AlN 的612eV [1,2],这相应于覆盖光谱中整个可见光及远紫外光范围.实际上还没有一种其他材料体系具有如此宽的和连续可调的直接带隙(见图1).图1 氮化镓基材料和其他一些半导体材料的禁带宽度和晶格常数的关系理论计算表明,G aN 和InN 无论是纤锌矿结构还是闪锌矿结构都是直接带隙,而AlN 只在纤锌矿结构时才是直接带隙,闪锌矿结构AlN 是间接带隙[1].镓氮基材料具有很强的热电和压电效应.G aN(c 轴)热电系数估计达7×105V Πm ・K,G aN 的压电常数是G aAs 的4—5倍.用Ⅲ-N 材料可以制做从红光到紫外光的发光管或激光器,实现红、绿、蓝可见光三基色发光.发光管可做全色显示屏和指示器,高效节能的交通信号灯和可调色照明灯.紫外发光管还可以有许多其他应用,例如,做假钞识别机、可以用它激发磷来做白光照明灯等.短波长蓝光或紫光激光管在激光印刷、信息存储等方面发挥重要作用.短波意味着光可以聚焦更锐小,可以增加光盘的存储密度.使用AlG aAs 激光器(波长780nm )的C D 盘容量为650兆字节,基于AlG aInP 半导体激光器(波长650或635nm )的DVD 光盘具有大约417千兆字节的数据容量,当使用进入蓝-紫光波段的Ⅲ-V 氮化物基激光器时容量可达15千兆字节.Ⅲ-N 材料还特别适合制作紫外探测器.当在强可见光和红外辐射背景中探测紫外信号时,要尽量避免或减少紫外信号以外的背景信号干扰.如果使用硅(Si )等通常材料的探测器时,需要加滤光片,这样做会减少探测器灵敏度.而氮化物,特别是AlG aN ,可以做成日光盲紫外探测器,其截止波长从200nm 到365nm.在这个范围的探测器可用于火焰探测、燃烧诊断、光谱学和紫外监视.AlG aN 探测器还有重要的军事用途,用于导弹制导和导弹预警防御系统.在地面与臭氧层之间工作的265—280nm 波长范围探测器可以减少太阳辐射的干扰,因为这个波段的太阳辐射被臭氧层吸收.氮化镓基材料的另一重要影响是在非光电子应用方面.首先氮化镓基材料也是一种非常好的电子器件材料.它们比G aAs ,Si 等材料禁带宽、击穿电压高、电子饱和速度较高[室温值为(217—5)×107cm Πs]、在两种氮化物相接触的界面处形成二维电子气面密度也特别高(～1013cm -2).另外Ⅲ2N 材料有很强的键能,具有高的热与化学稳定性.G aN 的热导率也较高,差不多是G aAs 的3倍.G aN 的本征点缺陷形成能很大,二次缺陷难以产生,这对高温、大功率器件来说也是非常有利的.表1列出了包括G aN 的几种材料在内的优值[3].其中K eye 优值表明表1 材料优值比较S iG aAs β2S iCG aN 金刚石K eye ’s 138063090301180044400(W cm -1s-1℃)Johns on ’s 910621525331567073856(1023W Ωs 2)Baliga ’s 115174142416101(相对S i 而言)材料适合于集成电路的程度,Johns on 优值用以衡量高功率器件,Baliga 优值是做功率开关的指标.G aN 各项优值仅次于金刚石薄膜,远大于硅、砷化镓等常用半导体材料,也大于颇具竞争力的碳化硅材料.金刚石薄膜由于难以掺杂,其研究和应用都还没有突破性的进展.具体说来,我们可以指望用G aN 基材料制作如下一些电子器件:111 高温、大功率及恶劣环境下工作的电子器件高温器件一般是指能工作在Ε300℃环境温度下的器件.它有如下应用场合:核反应设备、航天航空、石油勘探、汽车引擎、电机等.高温器件对减轻设备重量或使设备小型化也非常有利,因为它们可以不用或少用制冷和散热装置.在大功率器件领域里,固态电子器件主要占据了100H z 到100G H z 的频段.在低频段里,大功率器件应用于功率传输系统和马达控制;在高频段里,则被应用于军用或民用微波传输.112 高速及微波器件G aN 体材料的电子迁移率并不高,但它适合制作高速及微波器件.这是因为:(1)两种或两种以上氮化镓基材料长在一起可以形成所谓异质结.有人估计G aN-AlN异质结两边自由电子能量差可大于1eV.这样的异质结有两个用途,其一是可当异质结双极晶体管(H BT)的发射极(用AlG aN作发射极, G aN作基极),形成从AlG aN到G aN的热电子注入.对于一般的微波器件,基区非常短,注入的电子如果形成弹道电子发射(即在传输过程中不损失能量),则电子将高速渡越基区.这样的H BT将有很高的截止频率fT.在G aNΠSiC异质结双极晶体管中,G aN在高温晶体管中作为异质结发射极使用,SiC作基极和收集极.这种结构既可利用G aNΠSiC异质结提高电子发射率,又可利用SiC优良的高热导系数来散热.一个器件能够在高温下工作也适合大功率条件下工作.功率器件的一般限制是来自各种内耗产生的热.Si功率晶体管要加散热片、水冷或温差电冷却等.G aNΠSiC异质结晶体管(H BT)可以工作在高温而无须冷却,因此这种新H BT是高功率应用的好候选者;氮化镓基异质结的第二个用途是用来实现二维电子气.这里的二维电子气是指那些聚集在异质结界面处的薄层电子.AlG aNΠG aN二维电子气的迁移率比G aN单层的电子迁移率高得多.由于AlG aN和G aN之间的电子势能差较大,因而可以形成较高密度的二维电子气,有利于提高诸如场效应晶体管这类器件的性能.(2)当场效应晶体管的栅长缩短到亚微米级时将形成所谓的短沟器件,短沟中的电场非常大,沟道电子一般以饱和漂移速度从源极漂移到漏极.G aN的电子饱和漂移速度很大(217×107cmΠs),因此适合制作高速、微波器件.另外,G aN 的介电常数比Si,G aAs等常用材料都小,这将导致更小的器件寄生电容,从而使得它更适合于制作高速、微波器件.113 电荷耦合器件(CCD)及动态随机存取器(DRAM)由于G aN的禁带宽,其热激发漏电流是常规半导体材料的10-10—10-14,具有制作非挥发随机存储器(NVRAM)的潜能.这就意味着数据可以百年不必刷新.经过适当设计,这些存储器在断电情况下也能保留数据.114 其他电子器件AlN表面具有负电子亲和势,因而可能有负电子亲和势器件的应用.如做单色冷阴极,改善电子显微镜的分辨率和许多真空电子器件的性能.主要的困难在于降低AlN的串联电阻或者说是在于它的n 型掺杂.AlN材料因其具有较强压电效应和非常高的表面波速度,故还可做表面声波器件.如同多数宽禁带半导体一样,Ⅲ-V氮化物预计具有比G aAs和Si优异的抗辐照性能,因而更适合于空间应用;Ⅲ-N材料体系可以形成多种如G aNΠAlG aN,InG aNΠG aN量子阱超晶格(不同材料周期交替地长在一起的结构材料)、双异质结等异质结构,这有利于改善器件质量和进行新器件设计.G aN,AlN和InN的键能较高,分别为8192eVΠ原子、11152eVΠ原子和7172eVΠ原子,很难用半导体现有的湿法工艺刻蚀.至今基本上所有的氮化镓基器件图形都是用干法工艺(如Cl2基反应离子刻蚀)实现的.2 氮化镓基材料的制备G aN的研究始于20世纪30年代.Johns on等人首次得到了G aN材料.他们采用金属镓和氨气反应,得到了G aN小晶粒和粉末.1969年,Maruska和T ietjen利用气相外延方法在蓝宝石上生长了大面积G aN膜,并测得室温下G aN的带隙宽度.现在流行的金属有机物气相外延G aN的工作始于1971年,而分子束外延G aN工作则始于1975年.在80年代中期以前,用各种方法生长的G aN材料质量都不令人满意.里程碑的工作是由Akasaki小组奠基的,1986年该小组Amano等人首次发现采用低温生长的AlN 缓冲层,可大大提高G aN外延膜的质量.继而在1991年Nakamura等人发现采用低温生长的G aN缓冲层也具有同样的功效.低温缓冲层的作用在于,它解决了大失配外延体系中外延层与衬底互不浸润的问题,为高温下的外延生长提供了成核中心.另外,低温缓冲层也是应力释放中心.如今,采用低温缓冲层的两步生长工艺几乎成了G aN外延的标准工艺. p型掺杂是另一个长期困扰G aN器件应用的问题. Amano等人无意间发现掺Mg半绝缘G aN经过电子束照射后的G aN发光增强.他们对于该现象进一步研究,发现Mg受主被低能电子束激活.这一发现的意义与使用低温缓冲层的意义同样重大.很快,Na2 kamura等人发现700—800℃左右在氮气中热退火也可以活化受主Mg,并阐明了在原生掺Mg的G aN 中,Mg受主是被H原子所钝化,低能电子束辐照或中温退火可破坏Mg-H络合体,激活受主,实现高浓度p型掺杂.至此,通往G aN器件应用的道路基本已被疏通.目前,金属有机物气相外延和分子束外延是外延氮化镓基材料的主要方法.211 金属有机物气相外延(MOVPE)MOVPE(有时也称为MOC VD)的外延过程是以物质从气相向固相转移为主的过程.含外延膜成分的气体被气相输运到加热的衬底或外延表面上,通过气体分子热分解、扩散以及在衬底或外延表面上的化学反应,构成外延膜的原子沉积在衬底或外延面上,并按一定晶体结构排列形成外延膜.含ⅢA族元素的气体是金属有机物的蒸汽,这些蒸汽通常是用高纯氢气或氮气携带到衬底附近.这些金属有机物现在通常使用三甲基镓(T MG)或三乙基镓(TEG)、三甲基铝(T MA)以及三甲基铟(T MI).而含氮的气体通常使用氨气(NH3).n型和p型掺杂剂则分别使用氢化物(SiH4或Si2H6)和金属有机物(C p2Mg或DEZn).外延氮化镓(G aN)时,在衬底和外延面上的化学反应如下:G a(CH3)3(v)+NH3(v)→G aN(s)+3CH4(v)其中v表示气相,s表示固相.MOVPE G aN最好的材料参数是Nakamura于1992年报道的,室温下本底电子浓度为4×1016cm-3,迁移率达900cm2ΠV・s.212 分子束外延(MBE)M BE技术是真空外延技术.在真空中,构成外延膜的一种或多种原子,以原子束或分子束形式像流星雨般地落到衬底或外延面上,其中的一部分经过物理-化学过程,在该面上按一定结构有序排列,形成晶体薄膜.镓、铝或铟分子束是通过在真空中加热和蒸发这些ⅢA族元素形成的.而V族氮分子束则有不同的形成方式.直接采用氨气作氮源的分子束外延,被称为G S M BE或RM BE(气源分子束外延);采用N2等离子体作氮源的,有RF-M BE(射频等离子体辅助分子束外延)和ECR-M BE(电子回旋共振等离子体辅助分子束外延)两种.用M BE技术外延的最好的G aN材料参数如下:室温电子迁移率:560cm2ΠV・s(在c面蓝宝石上外延),580cm2ΠV・s (在6H-SiC上外延).MOVPE技术与M BE技术相比较,MOVPE外延的氮化镓基光电子器件材料方面具有明显的优势;在外延的微电子器件材料性能,特别是高电子迁移率晶体管性能方面两者相差不多. M BE技术的特点是:生长反应过程简单;可以实时表征或监控生长表面的结构、成分以及生长条件;生长温度较低;没有气相外延中与气流有关的材料不均匀性问题.需要指出的是另外两个重要的适合M BE生长的材料:其一是立方G aN(β-G aN).在G aAs(001)上外延的立方G aN可以解理,有利于制作激光器.M BE 的生长温度比MOVPE和氢化物气相外延(H VPE)都低得多,这有利于亚稳态立方相的生长.第二个是(In)G aAsN材料,它近年来受到越来越多的关注.理论上预计该种材料的禁带宽度可以包括从零到相关二元材料(如G aAs)禁带宽度之间的所有禁带能量[4].适当调整(In)G aAsN材料组分,可以使该材料的晶格常数和带隙同时满足设计要求.例如,可以使用在G aAs衬底上外延晶格匹配的G aInNAs材料,并能用它做113μm波长的激光器.由于在热平衡条件下氮在G aAs中或砷在G aN中的几乎不互溶.因此,这种材料多数是用远离热平衡的M BE技术做的,其氮的掺入量达15%也没有出现相分离.用等离子体辅助M BE已经获得113μm室温连续波工作的激光器,它使用了赝晶G aInNAs量子阱,其In组分为30%,氮含量为1%.已有这些激光器具有低阈值电流密度和高特征温度T0的报道[5].213 氢化物气相外延(HVPE)除了上述两项重要外延技术之外,H VPE目前也很流行.该技术的命名源于20世纪60年代末气相外延技术的发展过程.现在如果把它和MOVPE技术比较,称为卤化物气相外延(halide VPE)倒更贴切些.该外延技术是早期研究Ⅲ-V氮化物用的最成功的外延技术,是Maruska和T ietjen首先用来外延大面积G aN膜的一种方法.该方法是在金属G a上流过HCl,形成G aCl蒸气,当它流到下游,在衬底或外延面上与NH3反应,淀积形成G aN.该方法的生长速率相当高(可达100μmΠh),可生长很厚的膜,从而减少来自衬底的热失配和晶格失配对材料性质的影响.Maruska等随后表明可以在HCl气流中同时蒸发掺杂剂Zn或Mg实现p型杂质掺杂.该项外延技术目前主要有两项应用:其一用来制作氮化镓基材料和同质外延用的衬底材料,例如用H VPE技术在100μm厚的SiC衬底外延200μm厚的G aN,然后用反应离子刻蚀技术除去SiC衬底,形成自由状态的G aN衬底;另一项应用是做所谓E LOG(epitaxially laterally overgrown G aN)衬底.这种衬底的一个典型做法是用MOVPE技术在c面蓝宝石上外延一层2μm的G aN,再在上面沉积一层非晶SiO2,然后刻出一排沿〈1100〉方向的长条窗口,在上面用H VPE技术外延一层相当厚(几十微米)的G aN,窗口区G aN成为子晶,在非晶SiO2上不发生外延,但当外延G aN的厚度足够厚时,窗口区G aN的横向外延将覆盖SiO2.在SiO2掩膜区上方的G aN的位错密度可以降低几个数量级.国际上长寿命G aN基激光器就是用这种衬底制作的[6].与此横向蔓延G aN(E LOG)相似并有同样减少位错密度的功效的衬底还有所谓悬挂外延G aN(pendeo2epitaxy G aN,PE-G aN).后者也是利用G aN的横向外延减少位错,只是不使用二氧化硅掩膜,取而代之的是分开G aN条的深槽.214 G a N体材料的合成也得到了关注波兰科学家在高温(1600℃)高压(15—20kbar)下采用金属镓与氮气直接合成了G aN体材料.采用热氨和金属镓合成G aN颇有前景.这一技术的关键是添加了某类矿化剂如LiNH2或K NH2,在适合的比例下镓可溶解于热氨和矿化剂的溶液,因此可采用温度梯度法液相外延G aN.目前G aN体材料尺寸仅有十几毫米.215 衬底材料阻碍G aN研究的主要困难之一是缺乏晶格及热胀系数匹配的衬底材料.蓝宝石是氮化镓基材料外延中普遍采用的一种衬底材料,因为其价格便宜、耐热、透明、可大面积获得,并具有与G aN相似的晶体结构.一般都选用c面-(0001)作为衬底.此外,Ⅲ-V氮化物在如下衬底上也长过:Si,G aAs,NaCl, G aP,InP,SiC,W,ZnO,MgAl2O4,T iO2和MgO.G aN外延层的晶体结构受衬底及其取向的强烈影响[1,2].3 氮化镓基器件如前所述,氮化镓基器件应用主要有两大类:电子器件和光电子器件.311 电子器件主要介绍用氮化镓基材料制作的异质结双极晶体管(H BT)和异质结场效应晶体管(HFET)H BT:Pankove等人在1994年报道了第一个G aNΠ6H-SiC H BT[7].理论计算表明,G aNΠ6H-SiC 价带偏移约为012—0125eV,实验测试达0138eV.无论怎样,这么大的价带偏移对H BT都非常有利(提高注入比).另外,SiC可以进行高浓度的p型掺杂(降低基区电阻)又是间接带隙材料(减少基区辐射复合),因此,可望G aNΠ6H-SiC H BT有好的器件性能.实际上,在VC B=2V,I E=100mA下,获得的电流增益达105.该器件工作温度可达535℃.AlG aNΠG aN npn H BT也已做出.做全氮化物npn H BT的困难在于p型基区电阻及其接触电阻太高.HFET:它有时也称调制掺杂FET(MODFET)或高电子迁移率晶体管(HE MT).目前,在蓝宝石上外延的AlG aNΠG aN的二维电子气(2DEG)材料的室温电子迁移率已达1500cm2ΠV・s,在碳化硅衬底上外延的这种结构的室温电子迁移率达2000cm2ΠV・s.二维电子气的面密度在1×1013cm-2左右.由于AlG aN材料具有较大的压电效应,即使AlG aN层是非有意掺杂,在AlG aN与G aN界面也可能因极化引起高浓度的2DEG.利用外延的G aNΠAlG aN异质结材料制备的HFET晶体管具有突出的DC和RF特性:最大源漏电流密度1143AΠmm;击穿电压分别为340V(栅漏间)和100V(源漏间,栅长1μm);室温跨导270mSΠmm;截止频率50G H z[8];最高振荡频率97G H z[8];输出功率密度911WΠmm(8G H z)[9];输出功率918W(812G H z,2mm栅宽)[9];G aNΠAlG aN HE MT的工作温度高达750℃[10].312 光电器件主要介绍氮化镓基材料做的发光管(LE D)、激光器(LD)以及光电探测器.31211 发光管(LE D)第一个基于G aN的LE D是20世纪70年代由Pankove等人研制的,其结构为金属-半导体接触型器件.在提高了G aN外延层质量和获得了高浓度p 型G aN之后,Amano等首先实现了G aN pn结蓝色发光管.其后Nakamura等在进一步提高材料质量,特别是大大提高了p型G aN的空穴浓度后,报告了性能更佳的G aN pn结蓝色发光管,其外量子效率达0118%,至少是当时商业SiC LE D的6倍.1994年, Nakamura开发出第一个蓝色InG aNΠAlG aN双异质结(DH)LE D.1995年及其后两三年,Nakamura等人又实现了蓝色、绿色、琥珀色、紫色以及紫外光InG aN 量子阱LE D[11,12],把蓝绿光氮化镓基发光管的发光效率提高到10%左右,亮度超过10个烛光,寿命超过105h.这些LE D的电荧光谱是在室温、20mA直流偏置电流条件下测量的.对于发射峰值波长分别为370nm、450nm和520nm的紫外、蓝色和绿色InG aN S QW LE D,典型外量子效率分别是715%(紫外光)、1112%(蓝光),1116%(绿光).发射最短波长的LE D 是用AlG aN作有源区的LE D,其发射波长为350nm.亮度超过10烛光的高亮度蓝光、绿光、黄光(600nm)发光管早已商品化.蓝色和绿色LE D的发光效率分别为5lmΠW和30lmΠW.与之相对照,红色AlInG aP LE D的发光效率为20—30lmΠW.常规的白炽灯的发光效率约为20lmΠW.组合蓝色、绿色和红色LE D,可以制备发光效率为30lmΠW的白光LE D,它差不多与常规的白炽灯的发光效率相同.这种LE D的寿命长过105h,这比灯泡寿命长得多.因此用氮化物的蓝色和绿色LE D以及AlG aInP基红色LE D取代常规白炽灯泡能节省能量和资源.有人计算一个轿车约需1000个发光管用于照明和指示灯.实际上已有用蓝色、绿色InG aN S QW发光管和G aAlAs或AlG aInP红色发光管做成的户外大屏幕彩色显示屏和用InG aN单量子阱绿色发光管做成的交通信号灯.据说一大公司不再做大的阴极射线管而改用发光管系统.31212 激光二极管(LD)第一个氮化镓基材料激光二极管是1995年12月研制成的电脉冲G aN-InG aN多量子阱(MQW)激光二极管(LD).发光区是由215nm厚的In012G a018N层和5nm厚的G a0105In0185N层交替重叠26次而成.类似结构就是所谓多量子阱(MQW)结构.G aN和Al0115G a0185N分别作为波导层和夹层.电脉冲的占空比是011%.阈值电流密度为410kAΠcm2.在阈值时的电压高达34V,这主要是p型电极的高阻所致.该发光管发射波长是417nm.该激光器的谐振腔镜面是用反应离子刻蚀形成的,因为难以解理蓝宝石衬底.刻蚀的镜面比较粗糙(约为500A).一年后,第一个氮化镓基电注入室温连续波(CW)激射器又由Nakamura等使用脊形波导结构成功地实现了.这个CW-LD的寿命很短,随后很快加长了.仅用一年时间,到1997年底时,Nakamura等报道了寿命估计达10,000h的激光器[6].发射390—430nm波长的相干光,蓝光激光器的阈值电压为4—5V.该激光器长在E LOG衬底上.做在SiO2掩膜区没有位错的G aN上的LD的阈值电流为48mA,相当于电流密度217kAΠcm2.而做在有高密度T D的窗口区,它的阈值电流密度是415—9kAcm-2,比做在SiO2掩膜区上的高得多.该LD的夹层使用调制掺杂超晶格结构(MS-S LS),MS-S LS结构是由215nm非掺杂的Al0114G a0186N层和215nm厚n型或p型G aN层交替重叠120次而成.使用这样的结构的目的是为了避免使用厚的AlG aN夹层,因为厚的AlG aN外延层会发生龟裂.其中G aN层的导电类型与MS-S LS所替代的夹层导电类型一致.所有这些发光器件有源区都使用InG aN而不是用G aN,这是因为使用G aN做有源区难以实现高效发光器件.在有源区含少量In 的UV LE D(发射波长370nm)的输出功率比那些有源区不含In的LE D(发射波长367nm)的输出功率高约十倍.因此高功率的LE D使用InG aN而不是使用G aN做有源区.这些LE D和LD有源区含有大量穿透位错(T D),从1×108cm-2到1×1012cm-2.这些位错来自于G aN和蓝宝石衬底之间的界面,是由大到16%的晶格失配造成的.尽管有这么多的位错,In2 G aN基LE D和LD的发光效率却比通常的Ⅲ-V化合物(AlG aAs,AlG aInP)高得多.实验结果表明,发光几乎不受T D多少的影响.T D只是被认为是减少了发光区的体积.似乎InG aN层的In组分起伏或相分离对InG aN基LE D或LD的发光起关键作用.在In2 G aN膜生长过程中,由于InG aN的相分离造成局域能态[13].当电子和空穴被注入到该LE D的InG aN阱中时,在它们被大量穿透位错(T D)引发的非辐射复合中心俘获之前,被局限在这些局域能态中.这些局域态等效于受三维空间限制的所谓量子点.如果InG aN层中由InG aN相分离造成的势能起伏确定的载流子的扩散长度小于缺陷间隔,那么器件的发光效率就不受T D的影响[14].31213 探测器氮化镓基UV探测器有单层光电导型和光伏型器件.光导型探测器比较简单,只使用一个单层外延材料.光伏型探测器工作无须偏压(低功耗),阻抗高,暗电流低,响应快.光导探测器是由表面带有指状电极的一个未掺杂或轻掺杂的外延层构成.在半导体中的光吸收产生电子空穴对,电子空穴被偏压电场扫出来,形成正比于光子流量的电流.氮化镓基光伏器件比光导型探测器响应快得多,可用G aN或AlG aN材料的肖特基结或p-n结形成.在过去几年中,G aN基UV探测器有了很大的进展[20].UV探测器的需求主要来自导弹探测和跟踪系统上的应用.为此,研究指向截止波长较短(280nm)的探测器,并且从研制单个元件到研制二维聚焦平面.向短波移动将要求高Al组分AlG aN的p型掺杂.由于导弹跟踪的低信号的要求,必须发展雪崩二极管(APD)以产生大的增益.关键是减少漏电流(特别是在高电压时).探测器结果显示,主要的影响因素是G aN外延层中很高的位错密度.发展晶格比较匹配的衬底可能会明显改善探测器性能.。
aln无机非金属材料的区别
aln无机非金属材料的区别
ALN是铝氮化物（Aluminum Nitride）的简称，是一种无机非
金属材料。
与其他无机非金属材料相比，ALN有以下几点区别：
1. 热导率高：ALN的热导率很高，达到170-200 W/m·K，是
一种优良的导热材料，远远高于大多数无机非金属材料。
2. 稳定性高：ALN具有很高的化学稳定性和热稳定性，可在
高温和恶劣的环境下工作，不易受腐蚀和氧化。
3. 绝缘性能好：ALN是一种绝缘体，具有良好的绝缘性能，
可以在高电压和高频率下工作，不会发生电击或电子迁移。
4. 熔点高：ALN的熔点约为2200℃，是一种高熔点的材料，
可以在高温条件下工作，具有良好的耐高温性能。
5. 尺寸稳定性好：ALN具有低热膨胀系数和良好的热稳定性，其尺寸不会因热膨胀而发生变化，适用于对尺寸稳定性要求较高的应用场景。
综上所述，ALN与其他无机非金属材料相比，在导热性能、
化学稳定性、绝缘性能、耐高温性能和尺寸稳定性等方面具有较大的优势。
电解质氮化物与氟化物
电解质氮化物与氟化物电解质是一类能够在溶液中产生离子的化合物。
氮化物和氟化物作为电解质在化学领域中具有重要的应用。
本文将分别介绍氮化物和氟化物的特性、应用以及相关的研究进展。
一、氮化物氮化物是由氮离子和其他金属离子组成的化合物。
常见的氮化物包括氮化硼、氮化镓、氮化铝等。
这些化合物具有高熔点、硬度大、热导率高等特点，因此在材料科学领域中有广泛的应用。
1. 氮化硼（BN）氮化硼是一种典型的氮化物，由硼和氮元素组成。
它具有类似石墨的层状结构，因此具有良好的导热性能和电绝缘性能。
氮化硼在高温环境下具有良好的稳定性，广泛应用于高温润滑材料、陶瓷材料、高温气体传感器等领域。
2. 氮化镓（GaN）氮化镓是一种具有宽禁带的半导体材料。
它具有优异的电子输运性能和光学性能，广泛应用于光电子器件领域。
氮化镓可以用于制备高亮度LED、激光器、太阳能电池等器件，对于节能减排和提高能源利用率有着重要的意义。
3. 氮化铝（AlN）氮化铝是一种具有良好热导性和电绝缘性的材料。
它具有高熔点、高硬度、高热导率等特点，因此广泛应用于电子器件的散热材料、基板材料等领域。
氮化铝还可以用于制备超声波传感器、电子陶瓷等器件。
二、氟化物氟化物是由氟离子和其他金属离子组成的化合物。
氟化物具有较高的离子电荷密度和较强的极化能力，因此具有许多特殊的化学性质和应用。
1. 氟化钠（NaF）氟化钠是一种常见的氟化物，它是由钠离子和氟离子组成的。
氟化钠可以用作氟化剂、铝电解液的添加剂、牙膏中的成分等。
另外，氟化钠也是一种重要的生化试剂，在生物医学研究和临床诊断中有广泛的应用。
2. 氟化铝（AlF3）氟化铝是一种无机化合物，它是由铝离子和氟离子组成的。
氟化铝具有较高的熔点和良好的热稳定性，因此广泛用于铝冶炼和铝合金的生产中。
氟化铝还可以用作催化剂、陶瓷材料的添加剂等。
3. 氟化锂（LiF）氟化锂是一种无机盐，它是由锂离子和氟离子组成的。
氟化锂具有良好的热稳定性和电绝缘性能，因此广泛应用于核能工业、电池材料、光学材料等领域。
GaN
GaN半导体材料及其应用摘要：介绍了半导体的基本概念及分类，重点阐述GaN半导体的基本知识及其主要的应用方面。
GaN是一种具有优越热稳定性和化学性质的宽禁带半导体材料, 这种材料及相关器件可以工作在高温、高辐射等恶劣环境中, 并可用于大功率微波器件.最近几年,由于GaN蓝光二极管的成功研制, 使GaN成为了化合物半导体领域中最热门的研究课题.关键字：GaN，半导体，制备，应用1、半导体的概念及其发展史半导体是指室温时电阻率约在1MΩ·cm～1GΩ·cm之间的材料。
半导体材料种类很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（GaAs、GaP等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
在半导体产业的发展中，一般将Si、Ge 称为第一代半导体材料；将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs称为第二代半导体材料；而将宽禁带的GaN、SiC和金刚石称为第三代半导体材料。
GaN是一种具有优越热稳定性和化学性质的宽禁带半导体材料，因这种材料及相关器件可以在高温高辐射等恶劣环境中工作等特性。
GaN半导体的制备及性能研究日益受到人们的关注。
2 GaN半导体材料第一、第二代半导体材料在过去的半个世纪中发挥了巨大的作用尤其是在计算机和移动通讯设备领域可以说如果没有这两代半导体的出现那是绝对不可能出现的。
但是随着技术的发展和人们对设备性能要求的日益提高，传统的半导体材料因其在耐高温和抗辐射等恶劣环境下工作的局限性使得人们不得不开发新的替代型的新一代半导体。
以GaN为代表的Ⅲ—Ⅴ族宽直接带隙的第三代半导体由于带隙宽、发光光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度发光二极管、紫外—蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，所以第三代半导体又被称为高温半导体。
Ⅲ族氮化物材料
外》 月刊
２０ ０ ２年
获 得 的高 效 率 有 缘 层 材 料 ，是 制 造 高 效 率 发 光 二 极 管 （ Ｅ ） 激 光 二 极 管 （Ｄ） 不 可 少 的 材 ＬＤ 和 Ｌ 必
料 。 １９ 年 ， Ｎ ｌ ｕａ和 Ｍｕ ａ 在 Ｇ Ｎ单 晶 上 ９２ ａ ￣ｍ ｒ ｋｉ ａ
３ Ⅲ 族 氮 化 物 的 物 理 特 性
子 束 提 供 了足 够 的 能 量 ，使 Ｈ分 离 ，从 而 激 活
了 Ｍｇ受 主 。 １９ ９２年 ， Ｓ ｕｉ ａａ ｒ 做 了 一个 ｈｊ Ｎ ｋｍｕａ
质 以 及 耐 高 温 和 不 易 受 腐 蚀 等 特 性 。这 使 得 由
它 们 制 成 的 器 件 可 以 在 高 温 、腐 蚀 、大 功 率 的
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第 １ １期氮 化 物 材 料
几 青 男 ’ 苗
（ 国 科 学 院 上 海 技 术 物 理 研 究 所 ，上 海 ， ２ ０８ ） 中 ０ ０３
１ Ⅲ 族 氮 化 物 半 导体 的 研 究 意 义
关 于 Ⅲ 族 氮 化 物 的 研 究 并 不 是 最 近 才 开 始
第 三 个 突破 是 高 质 量 ＩＧ Ｎ合 金 薄 膜 的 获 ｎａ
得 。在 Ⅲ族 氮 化 物 里 面 ， ＩＧ Ｎ是 目前 唯 一 可 ｎａ
十 分 诱 人 的前 景 和 重 大 的 意 义 。
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们 不 断 地 增 大扫 描 时 间 ，直 到 发 光 差 不 多 达 到 饱 和 时 才 将 样 品 取 出 进 行 霍 尔 测 试 。令 他 们 和
氮化铟禁带宽度
氮化铟禁带宽度1. 氮化铟介绍氮化铟（InN）是一种宽禁带半导体材料，具有很高的电子迁移率和较小的晶格常数。
它是氮化物半导体材料家族中的一员，与氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）一起组成了III族氮化物半导体材料系统。
氮化铟具有广泛的应用潜力，尤其在光电子学领域，如光电探测器、太阳能电池和高频器件等方面。
2. 禁带宽度的定义和意义禁带宽度是半导体材料的一个重要参数，它决定了材料的导电性质和光电特性。
禁带宽度是指半导体材料中价带和导带之间的能隙，也可以理解为在材料中电子能量的范围。
禁带宽度越大，材料的导电性越差，而光吸收能力越强；禁带宽度越小，材料的导电性越好，而光吸收能力越弱。
对于氮化铟来说，其禁带宽度决定了其光电特性和器件性能。
因此，研究和了解氮化铟的禁带宽度对于进一步优化材料性能和设计新型器件具有重要意义。
3. 影响氮化铟禁带宽度的因素氮化铟的禁带宽度受到多种因素的影响。
以下是一些主要因素：3.1 晶格匹配性氮化铟的晶格常数较小，与其他氮化物材料相比，晶格匹配性较差。
晶格匹配性对禁带宽度有直接影响，因为晶格不匹配会引入晶格应变，从而改变电子能带结构。
因此，改善晶格匹配性可以有效调控氮化铟的禁带宽度。
3.2 杂质掺杂杂质掺杂是改变氮化铟禁带宽度的常用方法之一。
通过在氮化铟中引入不同的杂质元素，可以调节材料的能带结构，从而改变禁带宽度。
例如，掺杂镓可以使禁带宽度增大，而掺杂锗可以使禁带宽度减小。
3.3 沉积温度沉积温度对氮化铟的禁带宽度也有显著影响。
较高的沉积温度可以导致晶体生长速度加快，晶体质量提高，从而使禁带宽度增大。
然而，过高的沉积温度可能导致晶体结构松散，禁带宽度减小。
3.4 压力和应变外加压力和应变也可以改变氮化铟的禁带宽度。
通过施加压力或应变，可以调节晶格常数和晶体结构，从而改变禁带宽度。
例如，压力可以使禁带宽度增大，而应变可以使禁带宽度减小。
4. 测量氮化铟禁带宽度的方法测量氮化铟禁带宽度的方法有多种，常用的方法包括：4.1 光学吸收法光学吸收法是一种常用的测量禁带宽度的方法。
金属氮化物mof材料
金属氮化物mof材料全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属氮化物MOF材料是一种新型的功能性材料，在材料科学领域具有重要的应用前景。
MOF（金属有机框架）是由金属离子或簇与有机配体组成的晶体结构，具有高表面积、多孔结构和可控性等优点，被广泛应用于气体吸附、催化、分离等领域。
金属氮化物MOF材料则是在MOF材料的基础上，将金属与氮化物相结合，形成一种新型的功能性材料。
金属氮化物MOF材料具有良好的电化学性能和导电性能，可用于储能、催化以及传感等领域。
与传统的MOF材料相比，金属氮化物MOF材料在电催化反应中表现出更高的催化活性、稳定性和选择性。
金属氮化物MOF材料还具有优异的光催化性能，可应用于光催化分解水、光催化CO2还原等领域。
金属氮化物MOF材料的制备方法主要包括溶剂热法、水热法、溶液法等。
这些方法可以精确控制金属与氮化物的比例和结构，从而调控材料的性能。
通过调整金属与氮化物的配比、晶面结构等因素，可以实现金属氮化物MOF材料的定制化设计，开发出具有特定功能的材料。
金属氮化物MOF材料是一种具有巨大应用潜力的新型功能性材料。
通过精确控制金属与氮化物的比例和结构，可以调控材料的性能，实现定制化设计。
在能源领域，金属氮化物MOF材料展现出优异的电化学性能和光催化性能，具有广泛的应用前景。
随着材料科学的不断发展，相信金属氮化物MOF材料将在未来的能源转化和储存领域发挥重要作用，促进能源的可持续发展。
第二篇示例：金属有机骨架材料（MOFs）是一类由金属离子或团簇与有机配体通过配位键结合而成的晶体结构化合物。
MOFs具有高度可调控性、多功能性和大表面积等优点，在催化、吸附、分离、储能等领域具有广泛的应用前景。
金属氮化物MOFs是一类特殊的MOFs材料，具有金属氮化物的硬度和化学稳定性，同时又具有MOFs材料的可调控性和多功能性。
本文将探讨金属氮化物MOFs材料的合成方法、结构特点、性能及应用前景等方面的研究进展。
氮化物材料的硬度分析
氮化物材料的硬度分析导语氮化物材料是一类具有广泛应用前景的新型材料，其特点之一就是具有很高的硬度。
本文将从材料的硬度的定义和测试方法入手，探讨氮化物材料的硬度特性，并对其应用前景进行分析。
什么是硬度？硬度是材料抵抗划痕或indentation或弹簧反弹的能力，是衡量材料抗压缩和抗划痕性能的重要指标。
硬度通常与材料的晶格结构、原子间的键强度以及材料内部的缺陷和杂质有关。
硬度测试方法硬度测试是通过在材料表面施加一定的力量，然后测量压痕的形成与尺寸变化来确定材料的硬度。
常用的硬度测试方法包括洛氏硬度测试、维氏硬度测试和布氏硬度测试等。
氮化物材料的硬度特点由于氮化物材料的晶体结构具有较高的键强度和较小的原子间距，因此其硬度通常较高。
以氮化硼（BN）为例，其硬度达到了超过9级的莫氏硬度。
同样，氮化铝（AlN）和氮化硅（Si3N4）等氮化物材料也具有较高的硬度。
氮化物材料的应用前景由于氮化物材料的硬度特点，它们应用于诸多领域。
首先是电子行业，氮化物材料被广泛应用于高功率电子器件中，如功率放大器、光电子器件和微波电路。
其次，氮化物材料的硬度和化学稳定性使其成为优秀的涂层材料，可用于表面保护和改善材料的耐磨性能。
另外，在光学领域，氮化物材料的透明性和硬度使其成为光学元件的理想选择，如光纤、镜片、激光器等。
此外，氮化物材料还在机械领域和生物医学领域有广泛的应用前景。
氮化物材料硬度分析方法为了进一步研究氮化物材料的硬度特性，科研人员采用了一系列的分析方法。
例如，压痕测试是最常用的分析方法之一，通过测量压痕形成的尺寸和深度来推导材料的硬度。
此外，还可以利用纳米压痕测试、维氏硬度测试等方法来更精确地测量氮化物材料的硬度。
同时，利用扫描电子显微镜（SEM）等表征手段，观察和分析压痕形成的细节，以帮助进一步理解材料的硬度特性。
结论氮化物材料具有较高的硬度，这使得它们在电子、机械、光学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
通过压痕测试和其他分析方法，可以更深入地研究氮化物材料的硬度特性，并为其应用提供更多的理论和实践支持。
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N系化合物—第三代半导体
N系化合物—第三代半导体
相比于第一代和第二代半导体材料，III族氮化物具有如下特点：
极化效应强。当两种不同的材料组成异质结时，会由于自发极化和压电极化的不连续导致 在异质结界面处产生极化电荷。例如[0001]晶向的AlGaN/GaN异质结中，极化效应大小的不 连续会导致在异质结处产生正的极化电荷，其面密度可高达1013 cm-2量级。正极化电荷对电 子具有吸引作用，使得AlGaN/GaN异质结不用掺杂就可以实现很高的二维电子气(2DEG) 密 度。由于不用掺杂，2DEG不会受到电离杂质散射的影响，有利于制备高电子迁移率晶体管 (HEMT)。 稳定性好。III族氮化物，特别是GaN和AlN，具有耐高温、不易腐蚀、热导率好、抗辐照能 力强、以及击穿电压高等特点，使其成为工作在高温、大功率以及极端环境下的器件的理想 选择。 禁带宽宽可调范围大。稳定相的AlN、GaN和InN均为直接带隙半导体，其室温下禁带宽度 分别为6.2 eV、3.39 eV和0.7 eV。将两种或三种材料组成三元或四元合金，可以实现材料的 禁带宽度从0.7 eV到6.2 eV连续可调，相应的光谱覆盖了整个可见光波段以及一部分的近红外 和紫外波段，非常有利于研制多种工作波长的光电器件，如发光二极管、半导体激光器、光 电探测器以及太阳能电池等。
MOCVD (CH3)3Ga (g)+ NH3(g) GaN (s) + 3CH4
原料成本高 一般III族氮化物材料或结构生长中需要用到的III族生长源有三甲基镓(TMGa)、三乙基 钾(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等；p型掺杂源有二茂镁(Cp2Mg)、二 乙基锌(DEZn)等；深能级掺杂源有二茂铁(Cp2Fe)等。 寄生反应强 金属有机源，特别是TMGa和TMAl，为典型的刘易斯(Lewis) 酸，而NH3则为Lewis 碱，酸和碱结合会发生寄生反应，生成不易分解的大分子或者氮化物颗粒。寄生反应 对氮化物的生长没有贡献，会造成原料的消耗和浪费，生成的颗粒物质也会落到基片 表面，造成外延片的污染，对后续的器件制备造成困难。 高In组分InGaN和高Al组分AlGaN生长困难 由于InN的分解压高，在常用的低压MOCVD中生长高In组分InGaN需要降低生长温度。 低生长温度会导致高In组分的InGaN的晶体质量不高，器件效率低下。另外，由于 GaN和InN互溶率低，高In组分InGaN中会出现相分离现象。而对于高Al组分AlGaN 而言，由于AlN的表面迁移率低，高Al组分AlGaN往往难以形成二维生长，材料的表 面形貌很差。
N系化合物—LED
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
化合物半导体材料生长与表征 2016春季
氮系化合物及其外延生长
N系化合物
N系化合物
N系化合物
N系化合物
氮化物半导体晶体材料存在六方纤锌矿（wurtzite）和 立方闪锌矿（zinc-blende）两种不同的晶体结构 GaN
a轴：0.3189nm c轴：0.5185nm 热力学稳态结构
0.451nm 亚稳态结构
N系化合物—生长
生长技术—晶体生长
Tanya Paskova and Keith R. Evans, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 4, JULY/AUGUST 2009
N系化合物—生长
N系化合物
氮化物材料的极化效应
通常材料生长方向为[0001]时称之为Ga面极性（Ga面生长），产生的自发极化 与生长方向相反；反之为N面极性（N面生长），自发极化与生长方向相同。 不同极性面的物理性质和化学性质，如与酸碱的反应、表面吸附、肖特基势垒和 异质界面能带带阶等方面，表现出明显的差异。 O. Ambacher, J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998)
N系化合物—射频器件
N系化合物—射频器件
几种材料射频功率器件的性能比较
N系化合物—射频器件
几种材料射频功率器件的性能比较
N系化合物—LED
GaAsP
InGaN/GaN
N系化合物—LED
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物—HEMT
AlGaN/GaN异质结HEMT器件结构图
N系化合物—HEMT
相对Si 以及GaAs 材料来说，新一代氮化物材料自身存在着很强的极化 效应，使得AlGaN/GaN、InAlN/GaN 异质结在不掺杂的情况下，沟道中都 存在高浓度的二维电子气，其面密度可高达1013cm-2，比AlGaAs/GaAs 系 统高了一个数量级。 目前大家广泛认为AlGaN/GaN 异质结沟道中的二维电子气来源于 AlGaN 表面的离化施主表面态。
N系化合物
氮化物材料的极化效应
非中心对称晶体，晶体具有极轴，纤锌矿结构氮化物的极轴即c轴。氮化物半导 体由于III族原子和N原子之间的化学键具有很强的极性，存在强烈的自发极化效应。 在GaN材料中，由于晶格常数比c/a小于理想因子1.633，导致极化矢量P1大于极 化矢量P2（P1>P2），产生的自发极化Psp与[0001]方向相反，即为[000-1]。
N系化合物—生长
生长技术—晶体生长
氨热法Ammonothermal Growth
所用 高压 釜分两 个 区 ，溶解 区 的坩 埚 内放 合成 GaN原料 ，籽 晶 固定 在生 长 区内 ，两个 区有 一 个孔 相连 ，其 中充 满 氨溶 液 。 首先 GaN料在 溶 解 区 溶 解 于含氨 和碱金 属离 子的溶 液 ，GaN在 该溶 液 中 的 溶解 度有负 的 温度 系数 ，所 以生 长区温度 要高 于溶 解 区。生长 温 度一 般 为 400—600℃ ，压力 100—180 MPa，生 长速率 一般 不超 过 100µm／天 。 这 种方法 的缺 点是生 长速率 太慢 ，同时很 难得 到高纯材 料 ，矿化剂、高压釜都造成 GaN晶体 中 出现一些金属 杂质 。
N系化合物—第三代半导体
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物
Shizuo Fujita, ‘Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom’, Japanese Journal of Applied Physics 54, 030101 (2015)
N系化合物
氮化物材料的极化效应
在外加应力条件下，晶体中会因为晶格变形导致正负电荷中心分离，形成偶极矩Байду номын сангаас 偶极矩的相互累加导致在晶体表面出现极化电荷，表现出压电极化效应。 在Ga极性面的氮化物晶体中，当外延材料受到双轴张应力时，材料结构单元晶 胞中金属阳离子与其下面的三个氮原子之间的键角θ变大，这时由于金属阳离子与其 下面的三个氮原子之间的合极化矢量P2变小而使得整个结构单元中P1>P2，进而在材 料中产生一个[000-1]方向的压电极化。而当材料受到双轴压应力时，键角θ变小使得 合极化矢量P2增大，此时P1<P2，材料中产生一个[0001]方向的压电极化。
生长技术—晶体生长
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
Plasma-assisted MBE
The MBE procedure is performed in an ultra-high vacuum chamber, minimizing film contamination. Other advantages of MBE are its capability to create heterostructures with sharp interfaces, and to form metastable phases such as zincblende-structure GaN.
N系化合物
极性/非极性/半极性材料
c面—Ga面和N面统称为c面。c面氮化物材料是极性材料，外延材料薄膜的表面 为极性面。 a面、m面—与极轴（c轴）平行，沿材料的生长方向没有极化效应，薄膜为非极 性材料。 r面—与c轴既不平行也不垂直，薄膜为半极性材料。
N系化合物
量子限制斯塔克效应 Quantum Confinement Stark Effect
N系化合物—生长
生长技术—外延生长
ammonia MBE
B. Damilano, J. Brault, and J. Massies, ‘Formation of GaN quantum dots by molecular beam epitaxy using NH3 as nitrogen source’, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 118, 024304 (2015)
N系化合物—应用
N系化合物—功率器件
氮化物HEMT器件的宽禁带、高击穿场强、高密度二维电子气、高迁移率的特性 组合对于功率开关应用来说意味着高阻断电压和低导通电阻，继而可以在更高的电压、 电流以及温度下工作。 实际应用场合包括光伏逆变器、电网逆变器、电机逆变器等。