氧化镓纳米带的制备研究

氧化镓纳米带的制备研究

Synthesis of -Ga2O3 Nanobelts

物理系 98级向杰

摘要：纳米带是继纳米线、纳米管之后，在2001年新报道的又一种准一维纳米结构。本文介绍了Ga2O3纳米带制备的新方法。这种方法与首次报道的纳米带的生长方法有很大不同。用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对产物形貌进行了分析发现，纳米带宽约200nm，厚度约10nm，宽度-厚度比大于20。选区电子衍射（SAED）分析表明，产物是纯净的Ga2O3单晶。实验还发现了一些特殊形态的纳米结构，如纳米片、柳叶状纳米带等，证明了纳米带是纳米线之外Ga2O3一种很常见并稳定存在的形态。最后，我还根据实验现象对纳米带的生长机制进行了初步的分析与讨论。

Abstracts: Nanobelts are a newly discovered family of quasi-one dimensional nano structures besides nanotubes and nanowires. Here we

report a new route to synthesis Ga

2O

3

nanobelts, which is different from

previously reported. SEM and TEM analysis of the samples revealed that our nanobelts are approximately 200nm wide, 10nm thick, with a width-thickness ratio larger than 20. Selected Area Electron Diffraction

(SAED) has confirmed that the products consist of pure Ga

2O

3

single

crystals. Other kind of nanostructures, such as nano sheets and shuttle-shaped belts are also observed. We have suggested that the nanobelts can occur as commonly as nanowires and is thermally stable. A brief analysis and discussion on how such structure is formed are presented.

近几年来，低维纳米材料的研究逐渐成为一个热点问题，其研究的焦点是纳米管和纳米线。这些纳米材料已经显示出奇特的介观物理特性，包括电子弹道输运1，库仑阻塞2，纳米激光3等。这些准一维材料的结构与大块材料不完全相同，如纳米碳管是由单层或多层石墨原子层卷曲而成的管状结构，它们同体材料一样都是热力学稳定的。为什么会形成纳米线、纳米管这样独特的稳定结构，这个问题到现在还没有彻底搞清楚。现在已经提出了以下模型来解释纳米线和纳米管的生长机制：（1）VLS(Vapor-Liquid-Solid)机制。反应物在高温下蒸发，在温度降低时与催化剂形成低共熔体小液滴，小液滴互相聚合形成大液滴，并且共熔体液滴作为端部不断吸收粒子和小的液滴，最后因为过饱和而凝固形成纳米线或纳米

气流方向 管4。（2）氧化物辅助生长(Oxide-assisted Growth)。在这种机制中，氧化物在成核与生长过程中起了重要作用，生长出的半导体纳米线表面往往有一层非晶氧化物。（3）模板生长(Template-induced Growth)。这种方法使用纳米碳管作为生长的模板，诱导生长出纳米线5。（4）VS 机制，被用来解释简单物理蒸发制备Ga 2O 3纳米线6和纳米带7。本文将主要讨论Ga 2O 3半导体纳米带的制备及可能的生长机制。

氧化镓（Ga 2O 3）是一种宽禁带半导体，E g =4.9eV ，其导电性能和发光特性长期以来一直引起人们的注意。 -Ga 2O 3是一种透明的氧化物半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景8，被用作于Ga 基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。它还可以用作O 2化学探测器。由于量子尺寸效应等小尺度效应，往往会对低维纳米材料的输运9和光学性能产生重要影响。因此，Ga 2O 3低维纳米结构的研究具有重要的意义。制备Ga 2O 3纳米线的方法有很多种：1999年，张洪洲、俞大鹏6利用物理蒸发的方法得到了Ga 2O 3纳米线。此后范守善10，X. C. Wu 11等，利用不同的催化剂，使用CVD 的方法制备出了Ga 2O 3纳米线。X. C. W 还研究了其光致发光性能。韩伟强[12]使用GaN ，石墨粉和镍粉混合物，利用电弧放电的方法得到了Ga 2O 3纳米线。2000年7月，GaTech.的王忠林使用物理蒸发的方法制备出了ZnO 等一系列半导体氧化物纳米带7。这是继纳米线、纳米管之后又一种新型的功能氧化物准一维纳米材料体系，有希望成为单分子功能纳米器件的组成部分之一。但是，对Ga 2O 3纳米带这种特殊形态的生长机制还不清楚。我们所制备的Ga 2O 3纳米带宽约200nm ，厚度约10nm ，宽度-厚度比大于20，是非常好的单晶，其生长条件与王忠林小组制备的纳米带的条件不尽相同。我们希望能够从对Ga 2O 3纳米带的研究中揭示其生长的机理。

图1管式炉系统示意图

1.快速升温MoSi 2棒管式电炉；

2.陶瓷管；

3.进气孔；

4.针阀；

5.机械泵；

6.气流；

7. 冷却水进水口；8.冷却水出水口；9. 水

冷铜收集头。 图2 氧化铝舟和衬底放置示意图。在衬底上滴上一滴液态镓，衬底和氧化铝舟放在管式炉的中部

Ga 2O 3纳米带是在程控快速升温管式炉中生长的。我们使用的实验装置如图1。氧化铝管外径42 mm ，长80 cm ，两端密封。管左端可以通入气体，用气体质量流量计精确控制气体流量。右端由机械泵抽真空，抽真空的速率通过针阀加以控制。针阀和气体流量计组合使用，可以控制管内的压强。将衬底放置在氧化铝舟内，如图2所示，氧化铝舟放置在管的中部，这里温度梯度比较小，受热均匀。实验中采用了两种衬底：1、蓝宝石衬底：上面事先长有一层GaN 薄膜。2、硅