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氮化镓一维纳米材料及薄膜的制备与表征

作　者: 王连红
导　师: 许并社
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 一维半导体材料氮化镓纳米结构薄膜六方纤锌矿结构
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 3次
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内容摘要

氮化镓(GaN)是一种优良的直接宽带隙Ⅲ-V族化合物半导体材料,是当前世界上最先进的半导体材料之一。室温下氮化镓的禁带宽度为3.39eV,具有高熔点、高临界击穿电场和高饱和漂移速度等优点,是制作耐高温、高压和高功率光电器件的理想材料。目前,氮化镓材料已经成为世界各国研究的热点。金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等方法已经成为制备氮化镓材料的主流工艺,以MOCVD工艺使用的最为广泛。采用上述方法制备氮化镓材料,存在着设备昂贵、工艺复杂等缺点,在很大程度上限制了氮化镓材料的制备、生产和应用。现在,国际上许多科研机构正在探索新的工艺方法,试图在合适的衬底上制备高质量的氮化镓薄膜。由于硅单晶具有质量高、导热系数高、价格低、易于解理和制作电极等优点,无疑是最具有潜力的衬底材料。近几年来,由于氮化镓一维纳米材料在可见光和紫外光光电子器件方面的应用前景十分诱人,国际上掀起了氮化镓一维纳米结构材料的研究热潮。本文采用简单的化学气相沉积(CVD)方法,在硅衬底上制备了高质量的氮化镓一维纳米材料和氮化镓薄膜,分析了产物的组分和结构,探讨了CVD法制备氮化镓一维纳米材料和薄膜的生长机制与影响因素。1、以金属镓为镓源,氨气为氮源,采用CVD法在硅(100)衬底上直接合成了大量氮化镓纳米线,样品经X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、高分辨电镜(HRTEM)、光致发光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)测试,结果表明纳米线为六方纤锌矿结构晶体,长度为数十微米,直径介于20到120纳米之间。通过分析生长机理发现预先沉积在硅衬底上的金属镓在生长纳米线过程中起着重要的作用。2、以氧化镓为镓源,氨气为氮源,溅射于硅(100)衬底上的金属铂为催化剂,采用CVD法在不同的氨化时间内(15分钟/30分钟/45分钟)制备了不同形貌的氮化镓一维纳米材料;结果表明随着氨化时间延长纳米线变长,且纳米线数量变大。将镓源改为金属镓在不同的氨化温度(900℃/925℃/950℃/975℃)制备了不同形貌的氮化镓一维纳米材料;结果表明随着氨化温度升高,氮化镓一维纳米材料发生了由线状到带状再到线状的变化。3、以氧化镓为镓源,氨气为氮源,涂覆于硅(100)衬底上的乙酸镍为催化剂,采用CVD法在1000℃合成了氮化镓纳米棒,氮化镓纳米棒呈弯曲状,表面光滑,直径介于50到200纳米之间,长度介于2到10微米之间。将镓源改为金属镓在900℃合成了大量高质量的氮化镓纳米线,其表面光滑,长度在30微米以上,直径介于15到100纳米之间。氮化镓纳米线和纳米棒的生长均由VLS机理控制。4、以氧化镓为镓源,氨气为氮源,采用CVD法在硅(111)衬底上合成了一种由片状微晶构成的氮化镓薄膜,工艺中没有使用缓冲层。通过FESEM、EDS、XRD、HRTEM和PL对样品进行分析,生成物为质量较好的纯氮化镓薄膜;薄膜表面平整、致密,没有龟裂现象,与硅衬底结合紧密;PL测试结果表明氮化镓薄膜的带边发射峰位于367纳米处,同时出现了黄光发射峰。其生长过程是首先进行岛状生长,然后转为二维生长。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-28
  1.1 引言  10-11
  1.2 氮化镓材料  11-19
    1.2.1 氮化镓材料的特性  11-15
    1.2.2 氮化镓材料的应用价值  15
    1.2.3 氮化镓薄膜材料的制备方法  15-19
  1.3 氮化镓基器件  19-21
  1.4 纳米材料  21-27
    1.4.1 纳米材料的涵义  22
    1.4.2 纳米材料的特性  22-23
    1.4.3 纳米材料的应用  23-25
    1.4.4 氮化镓一维纳米材料的研究进展  25-27
  1.5 选题依据  27-28
第二章氮化镓一维纳米材料的制备与表征  28-54
  2.1 实验原料及设备介绍  29-30
    2.1.1 实验原料  29
    2.1.2 实验设备  29-30
    2.1.3 分析与表征设备  30
  2.2 直接法制备氮化镓纳米线  30-35
    2.2.1 实验  30-31
    2.2.2 表征与测试  31-34
    2.2.3 生长机理分析  34-35
    2.2.4 结论  35
  2.3 以Pt为催化剂制备氮化镓一维纳米材料  35-47
    2.3.1 基本生长理论  35-37
    2.3.2 氨化时间对氮化镓一维纳米材料形貌的影响  37-42
    2.3.3 氨化温度对氮化镓一维纳米材料形貌的影响  42-47
  2.4 以Ni(Ac)_2为催化剂制备氮化镓一维纳米材料  47-54
    2.4.1 制备氮化镓纳米棒  47-49
    2.4.2 制备氮化镓纳米线  49-53
    2.4.3 Pt和Ni(Ac)_2做为氮化镓一维纳米材料催化剂的比较  53-54
第三章氮化镓薄膜的制备与表征  54-59
  3.1 实验  54-55
  3.2 结果与分析  55-58
  3.3 结论  58-59
第四章结论和展望  59-61
  4.1 结论  59-60
  4.2 展望  60-61
参考文献  61-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间发表的学术论文  67

氮化镓一维纳米材料及薄膜的制备与表征

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