CN108193230A - 一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法 - Google Patents
一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种钽衬底上生长InxGa1‑xN纳米线的光电极，包括Ta衬底、中间层和InxGa1‑xNN纳米线层，其中，x＝0.05～0.5。中间层包括Ta氮化物，且构筑于所述Ta衬底与所述InxGa1‑xN纳米线层之间，与InxGa1‑xN纳米线层的能级匹配。通过阳极氧化法结合高温氨化法对钽片进行前处理，形成中间层，然后采用VLS‑CVD法，在处理后的钽片上生长InxGa1‑xN纳米线。本发明设计了Ta/(Ta2N/TaN/Ta3N5)/InxGa1‑xN纳米线结构的光电极，构筑了能级匹配的中间层，大幅度提高光催化分解水制氢和光催化降解水中有机污染物效率，且方法简单，在解决能源和环境问题方面有着重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光分解水制氢技术领域，且特别涉及一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法。
背景技术
能源短缺和环境恶化是目前人类面临的两大问题。利用光催化材料进行水分解制氢，一方面能够利用光降解有机污染物，另一方面直接把太阳能转化为氢能。氢可储存，热效率高，是理想的清洁能源，也是重要的化工原料。光分解水制氢能够避免现有制氢方法中副产物二氧化碳的产生，更为环保。因此，光催化材料在解决能源和环境问题方面有着双重的应用前景。
利用太阳光分解水制氢的光催化材料至少要满足三个条件：首先，其禁带宽度要大于水的分解电压(理论值1.23eV)，最合适的禁带宽度应为2.0eV左右。其次，半导体光催化剂的价带位置应高于 O2/H2O的电位，而导带的位置应低于H+/H2。此外，光催化材料本身还要有足够的抗光腐蚀的能力。光催化材料光解水的原理可以n型半导体为例解释，如图1所示，n型光催化半导体与水的界面能带向上弯曲，在此内建电场下光生电子和空穴能够分离；光生空穴向界面方向移动并与水反应析出氧气；光生电子向相反的方向迁移，并通过导线流向金属对电极，还原水中的氢离子成为氢气。将两个电极隔开，可以实现氢气和氧气的完全分开，获得纯净的氢气和氧气。
光催化材料利用太阳光降解水中的污染物的原理与分解水制氢十分类似，主要不同在于价带上的空穴不是将水氧化成氧气，而是直接氧化水中有机物，或者氧化水产生·OH自由基，所以半导体光催化材料的价带位置不一定高于O2/H2O的电位；另外，导带上的电子参与的还原反应则是将水中的氧气还原成O2 -·超氧自由基，导带的位置略低于O2 -/O2 -·即可(O2 -/O2 -·的位置略高于H+/H2)。由此可见，利用太阳光降解水中的污染物对光催化材料的能带条件要求比分解水制氢要低。
光催化材料分解水或降解有机物有三个基本步骤：1)吸收光子，激发电子-空穴对；2)光生电子-空穴分离；3)光生电子和光生空穴分别参与表面的水的氧化还原反应。光催化材料参与的反应是多相异质反应，光催化材料与衬底的界面结构，光催化材料本身的带隙宽度、能级位置、尺寸、形貌以及晶体质量，都将深刻地影响光生载流子的分离效率及光催化反应的量子效率。
现有的光催化材料一般为TiO2材料，TiO2只有紫外光响应，紫外光能量仅占太阳光能量的4％左右。而可见光的能量却占太阳光能量的43％。尽管有大量工作试图通过TiO2纳米带阵列或掺杂TiO2体系来提高其太阳能的利用率，但大多数情况下，掺杂能级易形成光生电子和空穴的复合中心，且掺杂形成的杂质能级一般是分立的，不利于光生电子或空穴的迁移和分离，增加了其复合几率，故光电转化效率不高。
发明人研究发现，InxGa1-xN可作为一种新型的光催化材料，其在水溶液中有较强的抗光腐蚀能力，其带隙可连续调控，有大范围可见光波段的响应。制备光电极时，需要衬底材料必须导电；另外，衬底和InxGa1-xN的能级结构必须匹配，从而促使光生电子和光生空穴向相反的方向迁移，避免电荷在衬底和纳米线界面处的堆积。常用的蓝宝石衬底不导电，无法作为电极使用。如图2所示，Si、GaN和其他常用半导体作为衬底时，其能级结构与InxGa1-xN不匹配。InxGa1-xN 与Si衬底之间还生成由Si和N组成的无定型中间层，这个中间层可能形成势垒，阻碍载流子的输运。要提高光催化分解水制氢的量子效率，实现光生电子-空穴对的有效分离，必须构筑新型材料作为 InxGa1-xN的衬底。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，此光电极在金属钽表面形成带隙可控的InxGa1-xN纳米线，光转化效率高，可用于光催化降解水制氢或光催化分解水中的污染物。
本发明的另一目的在于提供一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极的制备方法，以制备方法简单，成本低，参数可控，适用于大规模生产。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，包括 Ta衬底、中间层和InxGa1-xN纳米线层，其中，x＝0.05～0.5，中间层包括Ta氮化物，中间层构筑于Ta衬底与InxGa1-xN纳米线层之间，且分别与Ta衬底和InxGa1-xN纳米线层的能级匹配。
本发明提出一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供一Ta衬底，对Ta衬底进行表面处理，以构筑中间层；
S2，利用VLS-CVD法在中间层上生长InxGa1-xN纳米线，以形成InxGa1-xN纳米线层。
本发明实施例的钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法的有益效果是：
InxGa1-xN材料在水溶液中有强的抗光腐蚀能力，其具有光分解水制氢的功能，带隙可大范围调控，比表面积高，载流子输运快，且对基底的晶格匹配要求低。当x为0.05～0.5时，此时InxGa1-xN的带隙在3.4-1.3eV范围内，对应着从近紫外光到近红外光之间的所有波长，达到太阳光全波段的有效吸收和转化，高效利用太阳光制氢。
本发明通过在钽衬底上形成InxGa1-xN纳米线，相比于二维的 InxGa1-xN薄膜结构或三维晶体结构，一维InxGa1-xN纳米线固溶浓度更高，且当纳米线直径小于某个临界值时，由于在直径方向达到应力弛豫，纳米线长度可以无限大而不产生位错，并同时获得高In固溶浓度。而且纳米线对基底晶格匹配的要求大大降低，增加了生长工艺的灵活性。纳米线的比表面积高，不仅提高了纳米线电极对光的吸收，还增加了纳米线与电解液的接触面积。另外，载流子沿纳米线生长方向的迁移遵从Ballistic Charge Transport的模式，相比光催化粉末材料效率更高。
本发明还在钽衬底和InxGa1-xN纳米线层之间构筑了能级匹配的致密中间层，通过在钽衬底表面形成钽的氮化物作为中间层，中间层致密且与Ta衬底和纳米线结合紧密，能够分别与Ta衬底和InxGa1-xN 纳米线能级匹配，不影响光生载流子的输运和分离。
本发明采用VLS-CVD(气-液-固-化学气相沉积)法生长InxGa1-xN 纳米线，操作和维护相对容易，有可能实现InxGa1-xN纳米线光催化电极的大规模低成本生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明背景技术中n型半导体光解水原理图；
图2为常用半导体材料相对于水的氧化还原电位的能级位置示意图；
图3为In固溶浓度对InxGa1-xN能级结构的影响图；
图4为双温区滑轨管式炉的结构示意图；
图5为40V，5min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图；
图6为60V，10min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图
图7为80V，2min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图
图8为80V，5min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图
图9为阳极氧化的钽片的剖面结构示意图；
图10为阳极氧化条件为40V的氨化钽电极的光电流-电压曲线；
图11为阳极氧化条件为60V的氨化钽电极的光电流-电压曲线；
图12为阳极氧化条件为80V的氨化钽电极的光电流-电压曲线；
图13为阳极氧化条件为80V氧化2min的氨化钽片的XRD图；
图14为阳极氧化条件为80V氧化5min的氨化钽片的XRD图
图15为氨化后的高电压阳极氧化的钽片表面的结构示意图；
图16为实施例2制得的光电极表面结构SEM图；
图17为实施例1制得的光电极表面结构SEM图；
图18为实施例1制得的光电极表面纳米线的EDS谱图；
图19为氨气流量为20ccm的电极表面的SEM图；
图20为氨气流量为80ccm的电极表面的SEM图；
图21为以100％Ni为催化剂的电极表面的SEM图；
图22为以50％Au+50％Ni为催化剂的电极表面的SEM图；
图23为以66.6％Au+33.3％Ni为催化剂的电极表面的SEM图；
图24为以80％Au+20％Ni为催化剂的电极表面的SEM图；
图25为以100％Au为催化剂的电极表面的SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，包括Ta衬底、中间层和InxGa1-xN纳米线层，其中，x＝0.05～0.5，中间层包括Ta氮化物，中间层构筑于Ta衬底与InxGa1-xN纳米线层之间，且与InxGa1-xN纳米线层的能级匹配。
如图3所示，InxGa1-xN的带隙宽度能随In固溶浓度x的增大而变小，当In固溶浓度在0-50％的范围内变化时，InxGa1-xN的导带位置均高于氢还原电位，而价带位置均低于水的氧化电位；此时 InxGa1-xN的带隙在3.4-1.3eV范围内，对应着从近紫外光到近红外光之间的所有波长。进一步地，调整In的固溶浓度x＝0.05～0.2，有效吸收和转化全波段的太阳光，实现利用太阳能高效光解水制氢。
进一步地，中间层还包括Ta氧化物，中间层包括Ta3N5、Ta2N、 TaN、TaON和Ta2O5中的一种或多种。请参阅图2，图2为半导体材料相对于水的氧化还原电位的能级位置示意图，其中虚线表示水的氧化还原电位(pH＝0)。由图2可见，当中间层为Ta3N5、Ta2N、TaN、 TaON或Ta2O5时，其能够分别与钽衬底和InxGa1-xN能级匹配，从而实现光生载流子的有效输运和分离，提高光催化分解水制氢的量子效率。
本发明实施例提供上述的钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供一Ta衬底，对Ta衬底进行表面处理，以构筑中间层；
S2，利用VLS-CVD法在中间层上生长InxGa1-xN纳米线，以形成InxGa1-xN纳米线层。
进一步地，对Ta衬底进行表面预处理的步骤包括：
S11，利用阳极氧化法氧化Ta衬底的表面，在Ta衬底的表面形成氧化钽凹坑层。
S12，氨化经氧化后的Ta衬底。
其中，步骤S11中，氧化过程中，先在Ta衬底表面形成致密氧化钽层以及生长于致密氧化钽层上的氧化钽纳米管阵列，然后使氧化钽纳米管阵列脱落形成氧化钽凹坑层。
进一步地，利用阳极氧化法氧化Ta衬底表面的步骤包括：
以Ta衬底为阳极，铂电极或石墨为阴极，含氟离子的水溶液为电解液，施加80～100V电压，氧化2～10min。在该条件下，会先在钽片表面形成致密的氧化钽层，并在氧化钽层上生长氧化钽纳米管阵列，在80～100V下氧化2～10min，随着时间延长，表面的氧化钽纳米管阵列会逐步脱落，留下规整排列的凹坑，且该条件下，能够获得做大光电流。发明人研究发现，以氧化钽凹坑氨化后形成的中间层形成致密的膜层，以该膜层作为衬底能够使得InxGa1-xN纳米线和Ta衬底良好结合。而当氧化电压过低或时间过短，Ta衬底表面仍然存在氧化钽纳米管阵列，在后续的InxGa1-xN纳米线生长过程中，容易发生InxGa1-xN纳米线的脱落等不良现象。
进一步地，氨化经氧化后的Ta衬底的步骤包括：
将经阳极氧化后的Ta衬底置于氨气环境中，升温至900～1000℃，保温100～150min。更进一步地，升温至950℃保温2h，在钽片表面形成中间层。该条件下，钽衬底的形貌基本保持不变，未发生膜层脱落现象。
进一步地，S12的氨化步骤在滑轨式管式炉中进行，先将管式炉的温度升温至氨化反应的温度，然后再推至样品处，进行氨化反应，反应完成后，将管式炉直接推离样品处，样品直接暴露在室温下，快速降温。快速升温和降温避免了升降温时间过长引起钽片被氧化，从而影响钽片的表面结构和性能。
进一步地，利用VLS-CVD法在中间层上生长InxGa1-xN纳米线的步骤包括：
S21，在氨化后的Ta衬底上施加金属催化剂；
S22，然后将Ta衬底置于CVD装置中，同时通入铟源、镓源和氮源，在Ta衬底的中间层上生长InxGa1-xN纳米线。
本发明利用VLS-CVD法获得一维InxGa1-xN纳米纳米线，其生长机理为气-液-固(VLS)模式，当达到一定温度时，生长材料发生气相蒸发，转移至衬底表面，催化剂与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物，随着共熔物的不断增多，液态中的溶质组元逐渐达到饱和，晶须将沿着固液界面生长速率快的方向析出形成一维状晶体。达到一定温度后金属Ga气相蒸发，从Ga源转移到衬底表面，与催化剂相互作用。制备方法简单，参数易控，容易实现大规模生产。
进一步地，金属催化剂为金镍混合催化剂，其中，金和镍的摩尔比为1：1～2:1。本实施例中，在钽片上滴加金镍溶液，例如氯金酸溶液和硝酸镍溶液，然后将钽片置于管式炉中，在氢气的作用下，金镍溶液还原成金和镍，作为生长InxGa1-xN纳米线的催化剂。
不同催化剂和施加方法会影响纳米线的生长效果。只用金作为催化剂，难以生成纳米线，只用镍作为催化剂，铟的固溶浓度低。当用摩尔比为1：1～2:1的金镍催化剂时，能够生成较高铟固溶浓度的 InxGa1-xN纳米线。
进一步地，铟源为金属铟或乙酰丙酮铟，镓源为金属镓或乙酰丙酮镓，氮源为氨气。优选地，铟源为乙酰丙酮铟，镓源为乙酰丙酮镓，重现性更好。
进一步地，步骤S22中，InxGa1-xN纳米线的生长温度为 780～820℃，氨气的流量为20～80ccm。进一步地，生长温度为800℃。纳米线的生长对温度极为敏感，800℃是InGaN的最佳生长温度，当温度过高或过低时，均难以获得高铟固溶浓度的纳米线。
进一步地，如图4所示，采用双温区滑轨管式炉作为CVD装置，使用时，将乙酰丙酮铟和乙酰丙酮镓置于炉腔的第一温区L1，将氨化后的钽片置于炉腔的第二温区L2。控制第一温区的温度为400℃，第二温区的温度为800℃。先将电阻炉置于第一温区和第二温区之外的下风口区域(图中的石英管的右半边)，待电阻炉升温至预设的温度后，将其推至第一温区和第二温区，通入氢气，还原催化剂，然后切换成氨气，进行纳米线的生长。通过双温区滑轨管式炉进行纳米线的生长，能够有效调控生长材料的蒸发温度和纳米线的蒸发温度。且有效避免电阻炉在升温过程中对产品的不利影响。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，其包括以下步骤：
(1)阳极氧化钽片：以电解液为：H2SO4:H2O:HF＝95:4:1，电压 80V，时间2min。然后浸泡在乙醇中5min，N2吹干。然后置于滑轨炉，在950℃条件下氨化130min，氨气流量为100sccm。
(2)施加催化剂：
取氨化过的钽片，依次在丙酮、乙醇、去离子水里超声清洗各 5min，40℃烘干。钽片上滴加10μL金镍溶液，金镍溶液为体积比为 2:1的0.02M氯金酸溶液和0.02M硝酸镍溶液的混合液。
(3)利用图4所示的CVD装置生长纳米线：
将步骤(2)中的钽片放入第二温区L2，将0.15g的乙酰丙酮镓和0.05g的乙酰丙酮铟放入第一温区L1，第一温区比第二温区更靠近炉管的管口。设定第一温区的温度为400℃，第二温区的温度为800℃，将电阻炉加热到预设温度后，推入到样品所在的位置。打开氢气(20sccm)通过管口，将炉子拉至上风口；待炉子温度恢复至设定温度后，将氢气关闭，打开氨气(80sccm)通过管口。调节真空泵挡板阀使得炉腔的腔压为2000pa保持10分钟。
实施例2
本实施例提供的一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，其与实施例1的不同之处在于，采用金属铟和金属镓作为铟源和镓源。
试验例1考察阳极氧化条件对电极的影响。
(1)测定不同阳极氧化条件下的表观形貌
采用与实施例1的条件对钽片进行表面预处理，分别在不同的阳极氧化电压和氧化时间，结果如图5～8所示。其中，图5为40V，5min 处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图；图6为60V，10min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图；图7为80V，2min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图；图8为80V，5min处理条件下的钽片阳极氧化的SEM图。
结果表明，随氧化时间延长和氧化电压升高，表面的氧化钽纳米管阵列会逐步脱落，留下规整排列的凹坑(dimples)，且凹坑的直径与氧化电压呈线性关系。当氧化电压达到80V，氧化2min后，钽表面的氧化钽纳米管阵列会就已经全部脱落，留下的全部是致密的氧化钽凹坑。
如图9所示为阳极氧化的钽片的剖面结构。当氧化电压较低时，钽金属表面形成了氧化钽(左)。氧化钽有两层，外层是纳米管阵列，内层是致密的氧化钽薄层。当阳极氧化电压较高时，氧化钽外层的纳米管陈列脱落，只留下内层的致密氧化钽(右)，且厚度很薄，而外层脱落的纳米管阵列在内层的氧化钽表面留下规整排列的凹坑。
(2)测定不同阳极氧化条件下的光电流
将氨化后的阳极氧化钽片电极放入1M KOH溶液中在间断AM 1.5G(100mW/cm2)的模拟太阳光下进行线性扫描，测定不同条件下样品的最大光电流。
如图10所示为40V下分别处理30s、2min、5min和10min的光电流-电压曲线，如图11所示为60V下分别处理30s、2min、5min 和10min的光电流-电压曲线，如图12所示为80V下分别处理30s、 2min、5min和10min的光电流-电压曲线。结果发现阳极氧化2min 的样品均表现出最大光电流(50V时为6.5mA/cm2，60V为 6.5mA/cm2，80V为8.0mA/cm2)，且在80V条件下氧化2min的光电流最大。
试验例2中间层的XRD测试
分别将经阳极氧化后的钽片(阳极氧化电压为80V，氧化时间分别为2min和5min)按照实施例1中的步骤进行氨化。图13为80V 氧化2min的氨化钽片的XRD图；图14为80V氧化5min的氨化钽片的XRD图。
结果表明，氨化后的高电压(80V)阳极氧化的钽片表面的结构如图15。高电压阳极氧化结合滑轨炉氨化后，钽表面最外层为有规整排列凹坑的Ta3N5(JCPD#79-1533)，内层依次为TaN (JCPD#89-4765)、Ta2N(JCPD#71-0295)和钽金属。氮由外而内渗入钽金属，形成了TaN和Ta2N中间层，这两层中间层导电性能良好，参见图12所示。
试验例3考察铟源和镓源对纳米线形貌的影响。
实施例2中采用金属镓和金属铟作为镓源和铟源，制得的光电极表面结构如图16。
实施例1中采用乙酰丙酮镓和乙酰丙酮铟作为镓源和铟源，制得的光电极表面结构如图17示，且该光电极的EDS谱图如图18所示。
上述结果表明，采用Ga+In或乙酰丙酮镓+乙酰丙酮铟作为镓源和铟源，均可在氨化过的钽片上生长出InxGa1-xN纳米线。但是采用 Ga+In时，重现性较差。钽表面在高温下有一定蒸发，蒸发的钽的氮化物会沉积在熔融镓粒的表面，影响金属镓的气化蒸发。而采用乙酰丙酮镓+乙酰丙酮铟的重现性较好。通过控制源区温度和载气(氮气) 的流量，可将InxGa1-xN纳米线内铟的固溶浓度控制在5-20at.％之间。
试验例4考察氨气流量对纳米线生长的影响
按照实施例1中的步骤，在不同的氨气流量下制得样品，图19 为氨气流量为20ccm的电极表面的SEM图，图20为氨气流量为 80sccm的电极表面的SEM图。由图可见，纳米线生长对氨气流量的改变不敏感，在800℃下氨气流量为20-80sccm时，均能获得良好的InxGa1-xN纳米线。
试验例5考察催化剂对纳米线生长的影响
按照实施例1中的步骤，施加不同的催化剂制得样品，其中，图 21为以100％Ni作为催化剂的样品；图22为以50％Au+50％Ni作为催化剂的样品；图23为以66.6％Au+33.3％Ni作为催化剂的样品；图24为以80％Au+20％Ni作为催化剂的样品；图25为以100％Au作为催化剂的样品。
结果表明，Au和Ni均可以作为InxGa1-xN纳米线VLS-CVD生长的催化剂晶种，100％金催化剂容易在钽衬底上团聚形成大的颗粒，从而难以生成纳米线。100％Ni催化剂能够催化生长GaN纳米线，但对铟的溶解非常有限，InxGa1-xN纳米线里的铟固溶浓度不高。金镍合金作为InGaN纳米线VLS-CVD生长的催化剂晶种，能够生成较高铟固溶浓度的InxGa1-xN纳米线。且金含量越高，铟的固溶浓度越高；但金含量越高越容易团聚成直径500纳米以上的大颗粒，对纳米线的生长不利。金镍混合催化剂的最佳比例为1:1或2:1金镍摩尔比。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，其特征在于，
包括Ta衬底、中间层和InxGa1-xNN纳米线层，其中，x＝0.05～0.5，所述中间层包括Ta氮化物，所述中间层构筑于所述Ta衬底与所述InxGa1-xN纳米线层之间，且分别与所述Ta衬底和所述InxGa1-xN纳米线层的能级匹配。
2.根据权利要求1所述的钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极，其特征在于，所述中间层还包括Ta氧化物或氮化物，所述中间层包括Ta3N5、Ta2N、TaN、TaON和Ta2O5中的一种或多种。
3.一种如权利要求1所述的钽衬底上生长InxGa1-xN纳米线的光电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，提供一Ta衬底，对所述Ta衬底进行表面处理，以构筑所述中间层；
S2，利用VLS-CVD法在所述中间层上生长InxGa1-xN纳米线，以形成所述InxGa1-xN纳米线层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对所述Ta衬底进行表面预处理的步骤包括：
S11，利用阳极氧化法氧化所述Ta衬底的表面，在所述Ta衬底的表面形成氧化钽凹坑层；
S12，氨化经氧化后的所述Ta衬底；
其中，步骤S11中，氧化过程中，先在所述Ta衬底表面形成致密氧化钽层以及生长于所述致密氧化钽层上的氧化钽纳米管阵列，然后使所述氧化钽纳米管阵列脱落形成所述氧化钽凹坑层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，利用阳极氧化法氧化所述Ta衬底表面的步骤包括：
以所述Ta衬底为阳极，铂电极或石墨为阴极，含氟离子的水溶液为电解液，施加80～100V电压，氧化2～10min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，氨化经氧化后的所述Ta衬底的步骤包括：
将经阳极氧化后的所述Ta衬底置于氨气环境中，升温至900～1000℃，保温100～150min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，利用VLS-CVD法在所述中间层上生长InxGa1-xN纳米线的步骤包括：
S21，在氨化后的所述Ta衬底上施加金属催化剂；
S22，然后将所述Ta衬底置于CVD装置中，同时通入铟源、镓源和氮源，在所述Ta衬底的中间层上生长InxGa1-xN纳米线。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述金属催化剂为金镍混合催化剂，其中，金和镍的摩尔比为1～2:1。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述铟源为金属铟或乙酰丙酮铟，所述镓源为金属镓或乙酰丙酮镓，所述氮源为氨气。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S22中，所述InxGa1-xN纳米线的生长温度为780～820℃，所述氨气的流量为20～80ccm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110137441A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-08-16 | 厦门理工学院 | 一种碳纤维原位负载氮化镓负极材料、制备方法及锂离子电池 |
| CN110835766A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-25 | 南京集芯光电技术研究院有限公司 | 表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极及其制备方法 |
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2017
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