CN103774230B - 一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 - Google Patents
一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103774230B CN103774230B CN201410036791.3A CN201410036791A CN103774230B CN 103774230 B CN103774230 B CN 103774230B CN 201410036791 A CN201410036791 A CN 201410036791A CN 103774230 B CN103774230 B CN 103774230B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wire
- gallium nitride
- nitride nano
- ammonification
- method preparing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Luminescent Compositions (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，属于无机化合物半导体材料制备与生长领域。Ga2O3粉末与炭粉混合，研磨2min以上得到前驱物粉体；在经清洗和氢氟酸处理后烘干的衬底上镀厚度5nm-30nm的金属催化剂薄膜；将前驱物粉体和衬底放入等离子增强化学气相沉积系统中进行制备：采用N2和H2反应气压10-100Pa；衬底温度800℃-1100℃；射频电源功率40-90W，调节电源功率至得到稳定的亮黄紫色辉光的等离子气体。本发明摒弃对环境和设备存在污染和腐蚀的NH3，采用简单的实验设备和价格低廉且易获得的原料制备出表面光滑的单晶六方纤锌矿结构氮化镓纳米线，具有典型的纳米线光致发光特性和优异的场发射性能。
Description
技术领域
本发明为一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，属于无机化合物半导体材料制备与生长方法领域。
背景技术
GaN与SiC、金刚石等宽带隙化合物半导体材料，是继第一代Ge、Si元素半导体、第二代GaAs、InP化合物半导体之后的第三代半导体材料。GaN作为一种第三代宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度达3.39eV，同时具有较大的电子迁移率、良好的导电导热性、高的击穿场强、较好的抗辐射性和耐高温及抗化学腐蚀性等诸多特性，已成为高能、高温及对工作环境要求较高电子元器件的优选材料。由于以GaN为基体的Ⅲ族氮化物多元合金带隙连续可调性使得GaN在蓝、绿及紫外发光二极管；全色显示；激光器和传感器等领域的应用逐渐受到人们的重视。
目前，制备原料价格偏贵，且对环境和设备存在一定程度的腐蚀和污染，同时制备出的GaN纳米线大多方向性极差，这严重制约了其性能的提高。如何找到一种简单低廉同时对形貌易于调控的制备方法已成为解决GaN纳米线能否应用于纳电子器件关键，也是该领域科研工作者不懈追求的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法。即在等离子增强化学气相沉积系统中，以混有炭粉的Ga2O3粉末为镓源，以离子态氮为氮源，以镀有催化剂（Ni、Au等）的硅片为衬底，在玻璃管中通过直接反应生成氮化镓纳米线。摒弃对环境和设备存在污染和腐蚀的NH3，采用简单易操作的实验设备和价格低廉且易获得的原料制备高质量氮化镓纳米线，且反应过程中通过炭及氢气的还原成功解决了镓源中含氧的难题,同时也降低了反应对真空度的要求。
本发明提供的一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比不高于1:1的比例进行混合，研磨2min以上得到前驱物粉体；
（2）使用镀膜仪，在经过清洗和氢氟酸处理后烘干的衬底上镀厚度为5nm-30nm的金属催化剂薄膜；
（3）将采用上述方法制备的前驱物粉体和衬底放入等离子增强化学气相沉积系统中进行制备：反应气压10-100Pa；衬底温度800℃-1100℃；N2流速20厘米3/分钟-30厘米3/分钟，H2流速10厘米3/分钟-60厘米3/分钟；射频电源功率40-90W，调节电源功率至得到稳定的亮黄紫色辉光的等离子气体。
进一步，所述衬底包括Si或石英。
进一步，所述金属催化剂包括Au或Ni。
进一步，Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:1-1:4比例进行混合。
进一步，Ga2O3粉末与炭粉混合后研磨5min-2h得到前驱物粉体。
对制得的氮化镓纳米线的结晶性、微结构、形貌、光学性能、场发射性能进行分析和对比。采用X射线衍射仪分析氮化镓的物相;通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析氮化镓的形貌和结晶性;使用拉曼测试系统分析实验条件对氮化镓形貌和性能产生的影响。光学性能和场发射性能分别以荧光光谱仪和场发射测试系统进行测试。
本发明具有以下优点和效益：
（1）采用搭建简单，易操作的等离子增强化学气相沉积系统，以无毒无污染的离子态N为氮源，通过炭粉和氢气还原采用Ga2O3在低真空度条件下制备出长度3-5μm，直径20nm左右的单晶氮化镓纳米线。
（2）制备的氮化镓纳米线具有典型的纳米线光致发光特征。
（3）氮化镓纳米线场发射性能优异，当定义开启电场为10μA/cm2时开启电场为9.3V/μm。
附图说明
图1为实施例1制备的氮化镓纳米线的SEM图谱
图2为实施例2制备的氮化镓纳米线的SEM图谱
图3为实施例2制备的氮化镓纳米线的XRD图谱
图4为实施例3制备的氮化镓纳米线的SEM图谱
图5为实施例3制备的氮化镓纳米线的XRD图谱
图6为实施例4制备的单根氮化镓纳米线的SEM图谱
图7为实施例4制备的氮化镓纳米线的PL图谱
图8为实施例4制备的氮化镓纳米线的场发射电流密度图谱
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明近行进一步说明，本发明绝非局限于所陈述的实施例。
实施例1
（1）Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:1的比例进行混合，研磨5min得到前驱物粉体；
（2）将经清洗后烘干的硅片使用SBC-12小型离子溅射仪镀Au30s，得到表面有30nm左右金膜的衬底；
（3）将采用上述方法制备的Ga2O3粉末和衬底，采用等离子增强化学气相沉积法：在反应气压50Pa，衬底温度900℃，N2流速30厘米3/分钟，H2流速60厘米3/分钟，调节射频电源功率至40W得到稳定的亮黄紫色辉光，反应时间40min条件下得到处于形核状态的氮化镓纳米线。其SEM图谱见图1。
实施例2
（1）Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:4的比例进行混合，研磨1h得到前驱物粉体；
（2）将经清洗和氢氟酸处理2h的硅片烘干后使用SBC-12小型离子溅射仪镀Au10s，得到表面有5nm左右金膜的衬底；
（3）将采用上述方法制备的Ga2O3粉末和衬底，采用等离子增强化学气相沉积法：在反应气压50Pa，衬底温度800℃，N2流速20厘米3/分钟，H2流速10厘米3/分钟，调节射频电源功率至60W得到稳定的亮黄紫色辉光，反应时间1h条件下得到纤维状氮化镓纳米线。其SEM图谱见图2，XRD图谱见图3。
实施例3
（1）Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:4的比例进行混合，研磨1h得到前驱物粉体；
（2）将经清洗和氢氟酸处理20min的硅片烘干后使用SBC-12小型离子溅射仪镀Au10s，得到表面有5nm左右金膜的衬底；
（3）将采用上述方法制备的Ga2O3粉末和衬底，采用等离子增强化学气相沉积法：在反应气压50Pa，衬底温度900℃，N2流速20厘米3/分钟，H2流速10厘米3/分钟，调节射频电源功率至60W得到稳定的亮黄紫色辉光，反应时间1h条件下得到具有尖端形貌的氮化镓纳米线。其SEM图谱见图4，XRD图谱见图5。
实施例4
（1）Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:4的比例进行混合，研磨2h得到前驱物粉体；
（2）将经和氢氟酸处理2h的硅片烘干后使用SBC-12小型离子溅射仪镀Au10s，得到表面有5nm左右金膜的衬底；
（3）将采用上述方法制备的Ga2O3粉末和衬底，采用等离子增强化学气相沉积法：在反应气压50Pa，衬底温度1050℃，N2流速20厘米3/分钟，H2流速10厘米3/分钟，调节射频电源功率至60W得到稳定的亮黄紫色辉光，反应时间1h条件下得到表面光滑的氮化镓纳米线。其单根纳米线SEM图谱见图6，PL图谱见图7，场发射电流密度图谱见图8。
Claims (4)
1.一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比不高于1:1的比例进行混合，研磨2min以上得到前驱物粉体；
(2)使用镀膜仪，在经过清洗和氢氟酸处理后烘干的衬底上镀厚度为5nm-30nm的金属催化剂薄膜；所述金属催化剂为Au或Ni；
(3)将采用上述方法制备的前驱物粉体和衬底放入等离子增强化学气相沉积系统中进行制备：反应气压10-100Pa；衬底温度800℃-1100℃；N2流速20厘米3/分钟-30厘米3/分钟，H2流速10厘米3/分钟-60厘米3/分钟；射频电源功率40-90W，调节电源功率至得到稳定的亮黄紫色辉光的等离子气体。
2.根据权利要求1所述的一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于：所述衬底为Si或石英。
3.根据权利要求1所述的一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于：Ga2O3粉末与炭粉以摩尔比1:1-1:4比例进行混合。
4.根据权利要求1所述的一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于：Ga2O3粉末与炭粉混合后研磨5min-2h得到前驱物粉体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410036791.3A CN103774230B (zh) | 2014-01-25 | 2014-01-25 | 一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410036791.3A CN103774230B (zh) | 2014-01-25 | 2014-01-25 | 一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103774230A CN103774230A (zh) | 2014-05-07 |
| CN103774230B true CN103774230B (zh) | 2016-07-06 |
Family
ID=50566964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410036791.3A Active CN103774230B (zh) | 2014-01-25 | 2014-01-25 | 一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103774230B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105040096B (zh) * | 2015-06-25 | 2018-02-02 | 广东工业大学 | 一种螺旋状GaN单晶纳米线及其制备方法 |
| CN107699863B (zh) * | 2017-09-19 | 2019-07-12 | 北京工业大学 | 一种MPCVD制备GaN纳米线的方法 |
| CN108611679B (zh) * | 2018-04-11 | 2020-06-16 | 北京工业大学 | 一种绿色无催化剂法制备氮化镓纳米线的方法 |
| CN113930745A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-14 | 北京工业大学 | 一种高结晶GaN薄膜的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102936006A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-20 | 北京工业大学 | 一种低成本低污染的氮化镓纳米线的制备生成方法 |
| CN103387213A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 国家纳米科学中心 | 一种氮化镓纳米线及其制备方法 |
-
2014
- 2014-01-25 CN CN201410036791.3A patent/CN103774230B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103387213A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 国家纳米科学中心 | 一种氮化镓纳米线及其制备方法 |
| CN102936006A (zh) * | 2012-10-24 | 2013-02-20 | 北京工业大学 | 一种低成本低污染的氮化镓纳米线的制备生成方法 |
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| Bulk-quantity GaN nanowires synthesized from hot filament chemical vapor deposition;H.Y. Peng，等;《Chemical Physics Letters》;20000915;第327卷;263-270 * |
| From powder to nanowire: a simple and environmentally friendly strategy for optical and electrical GaN nanowire films;Yu-Qing Wang，等;《CrystEngComm》;20121203;第15卷;1626-1634 * |
| Growth of GaN crystals from the vapor phase;Shiro Shimada，等;《Journal of Crystal Growth》;20040301;第263卷;1-3 * |
| PECVD制备GaN纳米线及其场发射性能研究;赵军伟，等;《中国电子学会真空电子学分会第十九届学术年会论文集（下册）》;20130801;795 * |
| Structure and electrical property of gallium nitride nanowires synthesized in plasma-enhanced hot filament chemical vapor deposition system;B.B. Wang，等;《Journal of Physics and Chemistry of Solids》;20130630;第74卷;862-866 * |
| Structure and surface effect of field emission from gallium nitride nanowires;Y.Q. Wang，等;《Applied Surface Science》;20131115;115-120 * |
| Suppressing the lateral growth of gallium nitride nanowires by introducing hydrogen plasma;Tung-Hsien Wu，等;《Thin Solid Films》;20130201;第529卷;133-137 * |
| 化学气相沉积法制备GaN相关的纳米材料;李敏;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20120315;B020-181 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103774230A (zh) | 2014-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bae et al. | Heterostructures of ZnO nanorods with various one-dimensional nanostructures | |
| Kuykendall et al. | Metalorganic chemical vapor deposition route to GaN nanowires with triangular cross sections | |
| Li et al. | Sequential cation exchange in nanocrystals: preservation of crystal phase and formation of metastable phases | |
| CN103774230B (zh) | 一种无氨化制备氮化镓纳米线的方法 | |
| CN107447200A (zh) | 一种采用两步化学气相沉积法制备过渡金属硫属化合物/二维层状材料层间异质结构的方法 | |
| CN112875742B (zh) | 氧化镓纳米管及其制备方法和应用 | |
| Xu et al. | Synthesis and photoluminescence of assembly-controlled ZnO architectures by aqueous chemical growth | |
| CN104843681B (zh) | 可控尺寸石墨烯量子点的宏量制备方法 | |
| Nami et al. | Tailoring the morphology and luminescence of GaN/InGaN core–shell nanowires using bottom-up selective-area epitaxy | |
| JP2009231810A (ja) | 半導体カーボン膜、半導体素子、及び半導体カーボン膜の製造方法 | |
| Hiralal et al. | Growth and process conditions of aligned and patternable films of iron (III) oxide nanowires by thermal oxidation of iron | |
| US20130285212A1 (en) | Epitaxial structure | |
| Geng et al. | Preparation and characterization of CuxO1-y@ ZnO1-α nanocomposites for enhanced room-temperature NO2 sensing applications | |
| Hsu et al. | Vertical single-crystal ZnO nanowires grown on ZnO: Ga/glass templates | |
| CN102936006B (zh) | 一种低成本低污染的氮化镓纳米线的制备生成方法 | |
| Devarapalli et al. | Vertical arrays of SiNWs–ZnO nanostructures as high performance electron field emitters | |
| Huang et al. | Er-doped silicon nanowires with 1.54 μm light-emitting and enhanced electrical and field emission properties | |
| Yılmaz et al. | Fabrication and structural, electrical characterization of i-ZnO/n-ZnO nanorod homojunctions | |
| CN107699863B (zh) | 一种MPCVD制备GaN纳米线的方法 | |
| Soopy et al. | In (Ga) n nanostructures and devices grown by molecular beam epitaxy and metal-assisted photochemical etching | |
| Inguva et al. | Crystalline ZnO/amorphous ZnO core/shell nanorods: self-organized growth, structure, and novel luminescence | |
| Chang et al. | Ultrahigh-Density β-Ga2O3∕ N-doped β-Ga2O3 Schottky and pn Nanowire Junctions: Synthesis and Electrical Transport Properties | |
| CN104495766B (zh) | 一种氮化铝一维纳米结构材料的制备方法 | |
| Johar et al. | Epitaxial growth of GaN core and InGaN/GaN multiple quantum well core/shell nanowires on a thermally conductive beryllium oxide substrate | |
| Xue et al. | A study on self-assembled GaN nanobelts by a new method: structure, morphology, composition, and luminescence |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |