CVD法制备氮化镓纳米线

CVD法制备GaN纳米线的 工艺方法
引言
• 一维GaN纳米材料因其量子尺寸效应、介电限域效应呈现出一系 列新颖的光学、电学、气敏和光催化等特性，因而在新技术、新 器件及微电子电路等方面具有广阔的应用前景。
GaN纳米线的制备
• 如图所示为CVD实验系统的模型图。制备GaN纳米线的实验步骤 为：(1)首先通过电子天平称量0.1172 g镓源，然后将其放置在石 英舟中。最后将镀有催化剂的Si(100)基片和盛放了镓源的石英舟 依次放入小石英管中。(2)将盛放有镓源和基片的小石英管缓慢平 稳的放入大石英管中并使盛放镓源的石英舟处于管式炉热源中心。 (3)通入氩气的同时打开真空泵抽真空8~10 min，其中氩气流量为 20 sccm，并在氩气环境中以一定的的速率升温到1100 ℃，然后 关闭氩气换用流量为30 sccm的氨气并保温30 min，最后关闭氨 气在氩气的环境中冷却至室温，此时，取出基片即可获得样高电子漂移速度、高电导率等特性的 化合物半导体逐渐在超高频与抗辐射、高温及大功率、高效率等 方面表现出优越的性能，因此，化合物半导体已经成为制备光电 子器件及研制微电子电路的理想材料。同时，半导体也被发展用 来制作大容量信息获取、传输和处理的重要电子元器件。目前高 端信息通信领域的主流产品已经被砷化镓(GaAs)垄断，并且这种 二代半导体材料被广泛地应用于光纤及无线电通信技术等领域。 继硅(Si)、GaAs、磷化铟(InP)等材料在大规模集成电路、微电子、 燃料电池等领域大放溢彩之后，拥有宽禁带的第三代半导体材料， 如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)已然成为了目前国际上研究的热点。
静电纺丝图
GaN纳米材料的制备方法
• 金属有机化学气相沉积(MOCVD)法是一种新型气相外延生长技术， 它是在气相外延生长(VPE)的基础上发展而来的。它主要是常压 或低压(10~100 Torr)下在通H2的冷壁反应室中以Ⅲ族、Ⅱ族元素 的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料， 通过热分解反应方式在衬底(温度500~1200 ℃)上进行气相外延， 生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的 薄层单晶材料。1986年，Amano等人[10]首次利用金属有机化学 气相沉积技术制备了高质量的GaN外延薄膜。
GaN纳米材料的发展现状
GaN纳米材料的制备方法
• 溶胶凝胶法(Sol-Gel)是采用合适的有机或无机盐配制成溶液，然 后加入能使之成核、凝胶化的溶液，最后煅烧凝胶体使之分解后 得到所需物相的一种纳米材料制备方法。
• 实验原理：溶胶凝胶法首先需要制备前驱体溶液，所谓的前驱体 就是含高化学活性组分的化合物，然后在液相中均匀混合这些原 料，这些原料通过水解、缩合化学反应后会形成稳定的透明溶胶 体系，这些稳定的透明溶胶经过陈化后胶粒之间会缓慢聚合形成 三维网状结构的凝胶，当凝胶经过干燥、烧结固化后即可获得分 子乃至纳米材料。
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CVD法制备氮化镓纳米线
目录 content
01
绪论
02
CVD法制备GaN纳米线的工艺 方法
绪论
GaN的基本性质
GaN是一种禁带宽度为3.39 eV的淡黄色化合物，也是一种坚硬 的高熔点(约为1700 ℃)材料。目前，科学界认为GaN存在纤锌 矿结构(六方α相)、闪锌矿结构(立方β相)和岩盐矿(NaCl 型复式 正方结构)三种晶体结构，其中热力学最稳定的纤锌矿结构的 GaN晶体中由含有较大成分的Ga-N共价结合离子键；而闪锌矿 结构(立方β相)属于亚稳态结构，在高温环境下会转变成纤锌矿 结构的GaN；另外一种岩盐结构[1]只有在极端高压(55.3 GPa)的 情况下可能出现，当随着压力的减小，也会转变成纤锌矿结构。
GaN纳米材料的制备方法
• 化学沉积法又称化学气相沉积法(CVD)是利用气相物质通过化学 反应在基片表面形成固态薄膜的一种镀膜技术，该技术能够生产 纯度及性能好的固态材料。CVD应用相当广泛，利用这种方法可 以制备许多物质的薄膜，例如单晶、多晶或者非晶态无机薄膜等 等。
• 化学气相沉积法是常用的GaN纳米线的制备方法，到目前为止， 有关化学气相沉积法制备GaN纳米材料的文献报道数量已经遥遥 领先于其他方法，其区别通常都是在某些参数的改进上，其中生 长源的选取和催化剂的选用成为大多数人所关注的对象。
升温速率对GaN纳米线的形貌影响
• 图2-5为不同升温速率下制备的样品SEM形貌图，其中 (a)，(b)，(c) and (d)分别对应着升温速率20 ℃/min，30 ℃/min，40 ℃/min 和 50 ℃/min。 图中可以看出不同的升温速率下制备的GaN纳米线的形貌差异巨大。样 品S4中纳米线粗细严重不均，形状扭曲，有明显的堆垛结构。样品S5中 纳米线比较平直，没有分叉结构，表面光滑，平行于衬底方向生长，且 沿主轴方向整体粗细比较均匀其纳米线长度约为10 μm，该纳米线的直径 尺寸分布均匀, 约为60~90 nm，长径比达数千。样品S6中纳米线生长平 直，整体分布相对均匀，但直径不够均匀，直径分布从30~120 nm。而 样品S7中纳米线粗细严重不均，形状扭曲呈现弹簧状，且出现堆垛现象。 通过对比可以发现在采用升温速率30 ℃/min时制备的纳米线形貌最好， 也说明30 ℃/min是一个较好的升温速率，其有利于制备表面光滑且长直 的纳米线。图2-5右上角的插图为对应样品的EDX能谱图，从插图中可以 看出制备的四组样品均由Ga和N 两种元素组成，这两种元素的原子比约 为1：1，等同于GaN的化学剂量比。
GaN纳米材料的制备方法
• 聚合物喷射静电拉伸纺丝法俗称静电纺丝法，它能够用来制备超 细(10 nm~10 mm)纤维，静电纺丝区别于传统的纺丝法的显著特 点是其主要在电场作用下纺丝。静电纺丝法又分聚合物溶液纺丝 和熔融纺丝两种，其中前者使用较多，后者也有少量采用。静电 纺丝技术制备出来的材料主要为多晶纳米纤维，它的主要原理是 在喷丝口(接电路阳极)与收集装置(接地)之间形成了一个高压电场， 当喷射出的液流经过这个高压电场时会被拉伸成无纺材料，最终 在收集装置上形成非织造聚集材料，这些材料即为纳米纤维。
GaN纳米线的结构与性能表征
• 图2-3为样品S1、S2和S3的SEM照片。图2-3(a)显示使用混合镓源时制 备出的GaN纳米线形貌很好，大部分纳米线平行于衬底生长且纳米线直 径均匀长度较长，长度达到了几十微米。图2-3(b)表明制备的GaN纳米线 拥有较差的形貌，图中纳米线杂乱的生长，直径差异较大，形状扭曲并 出现缠绕现象。图2-3(c)显示制备的GaN纳米线形貌较好，大部分纳米线 表面比较光滑，但因存在较多部分的晶体堆垛结构，使得纳米线的生长 并不均匀，故而图片中纳米线直径粗细不均。分析S1、S2和S3样品的 SEM图像可知，实验制备GaN纳米线质量（平滑度、直径均匀度）最好 的镓源条件是使用Ga2O3/GaN混合镓源，纳米线质量次之的是使用单一 GaN镓源，纳米线质量最差的是使用单一Ga2O3镓源。因此得出结论， 尽管使用单一镓源能够生长出GaN纳米线，但使用Ga2O3/GaN混合镓源 能够促进GaN纳米线的生长并提高纳米线的质量。