CN103160929B - 一种单晶ain纳米锥和纳米片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种气相传输法制备单晶AlN纳米片和纳米锥的方法,是通过以下工艺过程实现的：将原料Al粉沉积到钼舟中，在硅基片上沉积一薄层铝粉作为生长衬底，并扣置于钼舟中铝源的上方，然后，把钼舟放进长150mm，直径20mm的小石英试管，再把试管置于水平管式炉的反应区。封闭系统后开始抽真空，当系统的真空度低于5帕时，通入氩气对反应系统进行洗气。然后通入氩气和氨气，通过改变氨气和氩气的通气方式，在900℃和850℃的反应温度下，分别得到了单晶纤锌矿结构AlN纳米片和纳米锥。本发明首次在中温区（850-900℃），未使用任何催化剂，直接反应商业铝粉和氨气，实现了AlN纳米片和纳米锥的生长。本方法具有工艺简单，重复性好，生产成本低和易于推广等特点。
Description
技术领域
本发明属于低维半导体纳米结构生长的技术领域。首次在中温区(850～900℃)，使用氨气和商业铝粉为反应原料，气相沉积法生长单晶AlN纳米锥和纳米片。
背景技术
AlN是一种重要三族氮化物宽禁带半导体光电材料，具有最高的直接带隙、高热导率、高熔点、高热稳定性、较低的电子亲和势、优良的化学稳定性和无毒性等特点。在紫外探测器、深紫外发光二极管、平板显示等光电器件中有重要的应用。低维纳米材料的维度、形貌、尺寸等因素与它们的独特性能密切相关，也是构筑纳米功能器件的基础，因此低维纳米结构材料的制备一直是纳米材料研究领域的前沿和热点。基于低维AlN纳米结构材料优异的物理性能及其在制作实用新型纳米光电器件方面有潜在的应用前景，低维AlN纳米结构的制备已经引起了广泛的关注，各种形貌的低维AlN纳米结构不断地被成功合成。
合成方法主要有：(1)纳米管模板法(限域反应)；(2)阳极氧化铝模板法；(3)高温直接氮化法；(4)催化剂辅助气相沉积法；(5)卤化物化学气相沉积法。
目前，气相沉积法是控制生长低维AlN纳米结构比较成功的一种方法。纯铝作为铝源，无催化剂的直接氮化法，氮气作为氮源通常都需要2000℃左右的高温，氨气作为氮源也至少需要1200℃以上。氨气作为氮源，1000℃以下的气相沉积法生长低维AlN纳米结构多使用氯化铝作为铝源；利用商业铝粉作为铝源时，通常在原料铝粉中添加氟化物、氧化物或金属镍等其他物质作为催化剂，以实现低维AlN纳米结构的生长。
由此可见，要利用常压下气相沉积法制备低维AlN纳米结构：(1)需要较高的反应温度；(2)在商业铝粉里添加催化剂；(3)用其他低熔点的铝前驱物作为铝源(例如氯化铝)。本发明利用自制的气相沉积系统，不用额外的催化剂，以商业铝粉为铝源，在中温区(850～900℃)，通过控制氨气和氩气的流量，实现了单晶AlN纳米锥和纳米片的生长。目前还没有在低于1000℃以下，直接氮化商业铝粉，从而制备出AlN纳米锥和纳米片结构的报道。
发明内容
本发明目的，是提供一种单晶AIN纳米锥和纳米片的制备方法，工艺简单、成本低，没有添加任何催化剂和模板，反应温度相对较低的特点。
采用的技术方案是：
一种单晶AIN纳米锥和纳米片的制备方法，包括下述工艺步骤：
1、在硅基片上沉积一薄层铝粉：用去离子水或乙醇对硅基片进行超声清洗，把铝粉放入装有乙醇的烧杯中进行超声振荡15-30分钟，然后将硅基片放入烧杯里，自然风干后得到沉积一薄层铝粉的硅基片；
2、将0.3g纯度为99.999％的商业Al粉均匀平铺到自制钼舟中，沉积有铝粉的硅片作生长衬底扣置于钼舟的正上方5～6mm处，沉积的铝层朝下，将钼舟放入石英试管中，再将装有钼舟的石英试管置于水平石英管式炉的反应区，密闭真空系统后开始抽真空，当真空系统的真空度低于≤5帕时，通入流量为500sccm氩气对系统进行洗气，20分钟后关闭氩气流量，对系统进行加热，升温速率为80-85℃/min，当炉温达到850℃时通入流量为100sccm的氨气和氩气，当温度达到900℃时氨气和氩气流量为50sccm，保持1.5-2小时，最后停止加热，当温度降至680℃时关闭氨气流量，同时在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后取出硅片，在硅片的沉积表面收集到淡黄色的物质，在钼舟表面收集到灰白色的物质，即得。
上述石英试管直径20mm，长150mm。
上述水平石英管式炉的石英管直径80mm，恒温区长度为34.5cm，用质量流量计控制气体流量。
本发明的特点是：
本发明所述的合成方法是一种气相传输沉积方法，其自制的生长装置示意图如图1。在硅衬底上沉积的一层薄铝粉是AlN在硅衬底上成核的基础，克服了1000℃以下Al+NH3反应体系中硅衬底上AlN成核难、成核率低及结合力差的困难。自制的钼舟有助于提高铝的蒸汽压浓度，导致钼舟表面形成AlN纳米片。本发明具有反应原料简单，制备工艺简单和沉积范围较大的特点，可适用于大量的工业化生长AlN纳米结构晶体。
附图说明
图1是本发明生长AlN纳米片和纳米锥的自制实验装置结构图。
图2是AlN纳米片的XRD图谱。
图3是AlN纳米片的扫描电镜图片。
图4是AlN纳米片的高分辨透射电镜图片。
图5是AlN纳米锥的XRD图谱
图6是AlN纳米锥的扫描电镜图片。
图7是AlN纳米锥的高分辨透射电镜图片。
具体实施方式
实施例1
一种单晶AIN纳米锥和纳米片的制备方法，是将0.3g纯度为99.999％的Al粉平铺到钼舟上，将沉积有一层铝粉的硅基片扣置于钼舟的正上方5～6mm处，将钼舟放入直径20mm的小石英试管中，然后将小石英管放置在直径为80mm的水平石英管式炉的反应区。密闭真空系统后开始抽真空，当真空系统的真空度低于5帕时，通入流量为500sccm氩气对系统进行洗气。20分钟后关闭氩气流量，对系统进行加热，当炉温达到900℃时同时通入50sccm的氨气和氩气，保持2小时。最后，停止加热系统，当温度降至680℃时关闭氨气流量，同时在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却在钼舟表面上得到呈灰白色的一整块产物。XRD的分析表明产物为具有纤锌矿结构的AlN晶体，如图2所示。扫描电镜图片的结果表明表面产物为大量的AlN纳米片，其宽度大约300nm，厚度大约40nm，顶部宽度略有减小，如图3所示。高分辨透射电镜图片显示单个AlN纳米片是一个单晶体，其两箭头指示的晶面间距0.268nm对应纤锌矿AlN的(100)晶面的间距，如图4所示。
实施例2
一种单晶AIN纳米锥和纳米片的制备方法，是将0.3g纯度为99.999％的Al粉放到钼舟中，将沉积有铝粉的硅片作为生长衬底扣置于钼舟的正上方5～6mm处，将钼舟放入直径20mm的小石英试管中，然后将小石英管放置在直径为80mm的水平石英管式炉的反应区。密闭真空系统后开始抽真空，当真空系统的真空度低于5帕时，通入流量为500sccm氩气对系统进行洗气。20分钟后关闭氩气流量，对系统进行加热，当炉温达到850℃时通入100sccm的氨气和氩气，保持2小时。最后，停止加热系统，当温度降至680℃时关闭氨气流量，同时在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。XRD的分析表明产物为具有纤锌矿结构的AlN晶体，如图5所示。扫描电镜和透射电镜图片的结果表明硅衬底上产物为大量的AlN纳米锥，其长度大约1μm，尖端大约10-20nm，，如图6和图7(a)所示。高分辨透射电镜图片显示单个AlN纳米锥是一个单晶体，其两箭头指示的晶面间距0.269nm，对应纤锌矿AlN的(100)晶面的间距，如图7(b)所示，说明生长方向垂直[100]方向。
Claims (4)
1.一种单晶AIN纳米锥的制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
①在硅基片上沉积一薄层铝粉：用去离子水或乙醇对硅基片进行超声清洗，把铝粉放入装有乙醇的烧杯中进行超声振荡15-30分钟，然后将硅基片放入烧杯里，自然风干后得到沉积一薄层铝粉的硅基片；
②将0.3 g纯度为99.999%的商业Al粉均匀平铺到自制钼舟中，沉积有铝粉的硅片作生长衬底扣置于钼舟的正上方5~6 mm处，沉积的铝层朝下，将钼舟放入石英试管中，再将装有钼舟的石英试管置于水平石英管式炉的反应区，密闭真空系统后开始抽真空，当真空系统的真空度低于5帕时，通入流量为500 sccm氩气对系统进行洗气，20分钟后关闭氩气流量，对系统进行加热，升温速率为80-85℃/min；当炉温达到850℃时通入流量为100sccm的氨气和氩气，保持1.5-2小时，最后停止加热，当温度降至680℃时关闭氨气流量，同时在氩气的保护气氛下自然冷却到室温；冷却后取出硅片，在硅片的沉积表面收集到淡黄色的物质，即为纳米锥AlN。
2.根据权利要求1所述的一种单晶AIN纳米锥的制备方法，其特征在于上述石英试管直径20mm，长150mm；上述水平石英管式炉的石英管直径80mm，恒温区长度为34.5cm，用质量流量计控制气体流量。
3.一种单晶AIN纳米片的制备方法，其特征在于包括下述工艺步骤：
①在硅基片上沉积一薄层铝粉：用去离子水或乙醇对硅基片进行超声清洗，把铝粉放入装有乙醇的烧杯中进行超声振荡15-30分钟，然后将硅基片放入烧杯里，自然风干后得到沉积一薄层铝粉的硅基片；
②将0.3 g纯度为99.999%的商业Al粉均匀平铺到自制钼舟中，沉积有铝粉的硅片作生长衬底扣置于钼舟的正上方5~6 mm处，沉积的铝层朝下，将钼舟放入石英试管中，再将装有钼舟的石英试管置于水平石英管式炉的反应区，密闭真空系统后开始抽真空，当真空系统的真空度低于5帕时，通入流量为500 sccm氩气对系统进行洗气，20分钟后关闭氩气流量，对系统进行加热，升温速率为80-85℃/min；当温度达到900℃时，通入流量为50 sccm的氨气和氩气，保持1.5-2小时，最后停止加热，当温度降至680℃时关闭氨气流量，同时在氩气的保护气氛下自然冷却到室温；冷却后，在钼舟表面收集到灰白色的物质，即得AlN纳米片。
4.根据权利要求3所述的一种单晶AIN纳米片的制备方法，其特征在于上述石英试管直径20mm，长150mm；上述水平石英管式炉的石英管直径80mm，恒温区长度为34.5cm，用质量流量计控制气体流量。
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