CN101289172A - 通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳米棒，该方法简单实用，无需催化剂，在常压下即可进行，且生长的纳米线为六方晶系单晶结构，纳米棒为立方晶系单晶结构，质量高，本发明方法是一种得到立方晶系一维InN纳米结构的有效途径。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及立方晶系一维InN纳米结构的制备，具体为一种通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法。
背景技术
一维纳米结构是目前纳米科技和凝聚态物理研究中最为前沿的课题之一。它们具有优越的物理性能，是构造纳米尺度元器件如激光器、传感器、场效应晶体管、发光二极管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元。尤其是半导体纳米线，它不仅能用于基本构件，还可以用来连接各种纳米器件。通过对半导体纳米线的深入研究，可望在单一纳米线上制备具有复杂功能的电子、光子和自旋信息处理器件。另外，从纳米线和纳米颗粒出发可合成丰富多彩的各种复合纳米材料。通过原子尺度上的性能设计和结构控制，这些复合纳米材料将具有优异的物理和化学性能，在电子材料、磁性材料、光学材料、催化剂材料等方面有广阔的应用前景。
InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度，以及具有最小的有效电子质量。同时其电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速，高频晶体管材料。由于InN材料是直接带隙材料，其带隙值的最新研究结果表明为0.6ev-0.7ev，这使得In1-xGaxN三元合金材料的能隙范围能够随合金中In组分x的变化，从InN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由调节，它提供了对应于太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙，这为设计新型高效太阳能电池提供了极大的可能。理论上，基于InN材料的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率72％。因为本征带隙的减小，使得InN的发光波长达到了1.55um，这样人们就可以用III族氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到红外光范围，并一直延伸到长波长通讯波段，使得光通讯器件制备可选用材料得到更大的丰富。同时InN以其独特的优良特性有可能为光通讯器件的发展带来新的突破。目前，由于InN不稳定容易分解或被氧化，而且缺乏晶格匹配的衬底，这给InN一维纳米结构的制备带来了很大困难，相关研究报道仍然很少。对InN材料才仅仅开始，而对InN纳米线或纳米棒材料研究几乎没有开展。因此，对InN纳米材料的研究是很有意义的，而且也是很有必要的。
发明内容
本发明要解决的问题是：InN一维纳米结构的制备存在困难，需要一种简单实用的制备方法来制备高质量的InN纳米线和纳米棒。
本发明的技术方案是：通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳米棒。
本发明方法使用管式电子加热炉，通入保护气体氮气和反应气体氨气，并将管式电子加热炉加热到500℃-1100℃；金属铟放置在石英舟内，石英舟放置在管式电子加热炉中心，沿加热炉内的气体流动方向，在石英舟后面设有石墨基底，衬底放置在石墨基底上，并设置在加热炉500℃-900℃的温区范围内；900℃时金属铟开始汽化，同时氨气开始分解，铟蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向管式电子加热炉后端输运，到达衬底位置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒。反应在常压下进行，通入的保护气体氮气和反应气体氨气的流速从0L/min逐渐升至10L/min后保持，使用的金属铟纯度99.99％，氨气纯度99.999％，氮气纯度99.9995％，优选衬底设置在加热炉的550℃温区。
本发明所使用的GaAs或Si或蓝宝石衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(110)面或(111)面，纳米线和纳米棒生长在衬底的自然解理面上。
本发明InN纳米线和纳米棒通过气相传输法在衬底的解理面如(110)面或(111)面上生长，其主要的反应方程式是：
2In(s)+2NH3(g)＝2InN(s)+3H2(g)
该方法简单易行，在常压情况下即可进行，且不需要催化剂，生产成本低，且产量较高。所制备的纳米线和纳米棒从GaAs、Si或蓝宝石等衬底材料的某一解理面如(110)面或(111)面向外生长，测试结果表明纳米线为沿着确定的[100]或[110]方向生长的六方晶系等一维纳米结构，其直径非常均匀，约为50nm，长度一般为10-15μm；制备得到的纳米棒为沿着[011]方向生长的立方晶系结构，其直径约400nm，为顶端逐渐减小的针尖结构。
本发明通过气相传输法在GaAs或Si或蓝宝石衬底上生长InN纳米线和纳米棒，该方法简单实用，无需催化剂，在常压下即可进行，且生长的纳米线为六方晶系单晶结构，纳米棒为立方晶系单晶结构，质量高，本发明方法是一种得到立方晶系一维InN纳米结构的有效途径。
附图说明
图1：本发明所使用的电子加热炉示意图。
图2：本实验制备得到产物的XRD图谱。
图3a：在GaAs的自然解理面(110)面上制备得到的纳米线和纳米棒的SEM图。
图3b：本发明发明方法生成的典型的单根纳米线的SEM照片。
图3c：本发明方法生成的典型的纳米棒的SEM照片。
图4a：单根InN纳米线的TEM明场像。
图4b：单根InN纳米线的SAED图谱。
图4c：单根InN纳米线的HRTEM图像。
图5a：单根InN纳米棒的TEM明场像。
图5b：单根InN纳米棒的SAED图谱。
图5c：单根InN纳米线的HRTEM图像。
具体实施方式
本发明使用的主要设备是电子加热炉，如图1，其中：热电偶1，管式电子加热炉配备有温控设备，温控设备通过获取热电偶1反馈的温度信息从而控制加热脉冲和加热温度；石英反应腔2；进气通道3，氮气和氨气由此端进入，并通过流量计控制其流量；石英舟4，用于盛放金属铟块；金属铟块5，纯度为99.99％；石墨基底6，用于放置衬底；衬底7，以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，切片使其为某一自然解理；尾气排出端8，通过管式电子加热炉管道排出气体并收集处理所得产物。
InN纳米线和纳米棒制备前：
1)用去离子水清洗石英管，晾干；
2)500℃到900℃低温区域的确定
在制备之前，先向管式电子加热炉内通入氮气(99.9995％)，流速从0L/min升至10L/min，并将加热炉的中心温度加热到700℃到1000℃，到温度和气流稳定后测试得到加热炉中气流后端500℃-900℃低温区域的位置。
InN纳米线和纳米棒的制备：
1)将金属铟块(99.99％)放入石英舟中，并将石英舟放入到石英反应腔的中心位置；
2)使用GaAs(001)做衬底，将GaAs衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(110)面或(111)面，放置在石墨基底上，并将石墨基底设置在500℃-900℃低温区域的位置，优选550℃的位置；
3)向管式电子加热炉通入氮气，根据需要生长纳米线或棒的长短等要求，保持时间5分钟到10小时不等，流速由0L/min升至10L/min并保持；
4)管式电子加热炉温度加热到700℃-1000℃，停止通入氮气，通入氨气(99.999％)，流速由0L/min升至10L/min并保持，在900-1000℃下金属铟汽化，同时氨气开始分解，铟蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向加热炉后端输运，到达衬底位置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒，根据需要生长纳米线或棒的长短等要求，反应时间5分钟到10小时不等；
5)等到了上述设定时间关闭氨气通入氮气，流速0L/min到10L/min，自然冷却降温；
6)自然冷却到室温，关闭氮气，取出衬底保存。
用X射线粉末衍射仪(XRD)，选区电子衍射(SAED)，高分辨透射电镜(HRTEM)，透射电镜(TEM)，扫描电镜(SEM)等方法对产物的晶体结构，表面形貌等进行分析。
图2为得到产物的XRD图谱，从图谱中可以看到立方晶系和六方晶系两种不同的相，其中31.0°(111)和35.9°(200)的立方晶系InN的峰对应的晶格常数为αc＝4.99
而51.7°(110)和57.0°(103)的六方晶系InN的峰对应的晶格常数为αh＝3.535
和ch＝5.705
图3a为在GaAs的自然解理面(110)面上制备得到的纳米线和纳米棒的SEM图，从图可以看到所制备的纳米线和纳米棒从GaAs的解理面(110)向外生长；图3b为生成的典型的单根纳米线的SEM照片，由图可以看到单根纳米线的表面光滑，直径均匀。图3c为生成的典型的纳米棒的SEM照片，可以看到制备得到的纳米棒其直径不均匀，为顶端逐渐减小的针尖结构。
图4a为单根InN纳米线的TEM明场像，由图可以看到单根纳米线的直径约为50nm；图4b为单根InN纳米线的SAED图谱；图4c为单根InN纳米线的HRTEM图像，可以计算得到其晶面间距为0.30nm，这正好和六方晶系InN的(100)面的晶面间距相等，结合同时拍摄的TEM明场像中InN纳米线的方向以及SAED图谱可以判断其具有六方晶系结构，且沿着[100]方向生长。
图5a为单根InN纳米棒的TEM明场像，图5b为单根InN纳米棒的SAED图谱，图5c为单根InN纳米线的HRTEM图像，可以计算得到其晶面间距分别为0.35nm和0.50nm，这正好与立方晶系InN的(022)和(100)面的晶面间距相等，结合同时拍摄的TEM明场像中InN纳米棒的方向以及SAED图谱可以判断其具有立方晶系结构，且沿着[011]方向生长。
Claims (4)
1、通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特征是以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳米棒。
2、根据权利要求1所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特征是使用管式电子加热炉，通入保护气体氮气和反应气体氨气，并将管式电子加热炉加热到500℃-1100℃；金属铟放置在石英舟内，石英舟放置在管式电子加热炉中心，沿加热炉内的气体流动方向，在石英舟后面设有石墨基底，衬底放置在石墨基底上，并设置在加热炉500℃-900℃的温区范围内；900℃时金属铟开始汽化，同时氨气开始分解，铟蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向管式电子加热炉后端输运，到达衬底位置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒。
3、根据权利要求2所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特征是反应在常压下进行，通入的保护气体氮气和反应气体氨气的流速从0L/min逐渐升至10L/min后保持，使用的金属铟纯度99.99％，氨气纯度99.999％，氮气纯度99.9995％，衬底设置在加热炉的550℃温区。
4、根据权利要求1或2或3所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特征是将所使用的GaAs或Si或蓝宝石衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(110)面或(111)面，纳米线和纳米棒生长在衬底的自然解理面上。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102569034A (zh) * | 2012-02-15 | 2012-07-11 | 中国科学院半导体研究所 | 在自然氧化的Si衬底上生长InAs纳米线的方法 |
| CN103050350A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 青岛润鑫伟业科贸有限公司 | 一种场发射阴极的制备方法 |
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| CN114717535A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-08 | 太原理工大学 | 一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102569034A (zh) * | 2012-02-15 | 2012-07-11 | 中国科学院半导体研究所 | 在自然氧化的Si衬底上生长InAs纳米线的方法 |
| WO2014040446A1 (zh) * | 2012-09-17 | 2014-03-20 | 南京大学 | 一种InN基薄膜材料生长方法 |
| CN103050350A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 青岛润鑫伟业科贸有限公司 | 一种场发射阴极的制备方法 |
| CN114717535A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-07-08 | 太原理工大学 | 一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法 |
| CN114717535B (zh) * | 2022-03-21 | 2023-07-14 | 太原理工大学 | 一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法 |
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