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SiC、GaN半导体纳米材料及阵列的合成、性能与机理研究

李镇江  
【摘要】: 近年来宽带隙半导体SiC、GaN和Ga_2O_3准一维纳米材料已引起了人们极大的兴趣,这些纳米材料具有许多独特的性能并且在光、电及机械等方面具有极大的应用潜能。本文对这些准一维纳米材料的合成、显微结构及物性进行了系统研究。主要结果如下: 于自制石墨反应室中,用简单的气相化学反应法,在无空间限制和较低的温度下,合成出大量的高质量不带和带有非晶SiO_2包覆层的β-SiC纳米线。本试验选用经球磨后的Si和SiO_2混合粉体及C_3H_6气体为初始原料。通过控制Si和SiO_2粉体的比例及其它工艺条件,可以分别得到不带和带有非晶SiO_2包覆层的两种纳米结构。结果分析表明:不带包覆层和带有包覆层的芯部的纳米线均为立方结构β-SiC单晶,而外包覆层为非晶SiO_2。两种结构中的β-SiC纳米线的轴线方向均为111方向。对上述两种不同纳米结构,分别提出了两种可能的生长机理。拉曼和荧光光谱分析表明:两种纳米结构均显示出了不同于以前观察的块体β-SiC材料的独特性能。 用简单的气相化学反应法,在1230℃条件下,于多孔阳极Al_2O_3薄膜上合成出大面积高度定向的β-SiC纳米线阵列。场发射扫描电镜(FE-SEM),能量损失X-Ray谱仪(EDX),X-Ray衍射仪(XRD),透射电镜(TEM),选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电镜(HRTEM)结果表明:生长在Al_2O_3薄膜的均匀孔中的纳米线组成了高度定向的纳米结构,纳米线是具有立方晶型的β-SiC单晶体,并且具有30-60nm的直径和8μm的长度。纳米线是实心的并且表面清晰不带有任何包覆层,其轴线方向是111方向,并且在纳米线内部有高密度面缺陷。最后对其生长机理进行了讨论。 用简单气相化学反应法,于自制石墨反应室中,在无空间限制和较低温度下,合成出大面积新型二维半导体SiC纳米线网。EDX,XRD和HRTEM表明:直径为20-70nm的纳米线是具有立方结构的β-SiC单晶,并且其生长方向是[111]方向。并讨论了纳米线网的生长机理。 通过使用金属镓与氨气反应的方法,在单晶氧化镁基片上用金属银作催化剂,合成出GaN纳米环、纳米带和纳米线。FE-SEM,EDX和XRD表明三种低维纳米结构均为纤维锌矿GaN。不同结构GaN纳米材料的形成机制被讨论。在三种GaN纳米材料的拉曼谱中,发现了一些不同于以前观察到的新特性。 通过金属镓与氨气反应,在经化学刻蚀后的MgO单晶基片表面,以金作催化剂制备出规则排列的GaN纳米棒阵列。FE-SEM,EDX,XRD,SAED和HRTEM结果表明:规则排列的纳米棒是具有六方晶系纤锌矿结构的GaN单晶体,并且从 西北工业大学博士学位论文 底部到顶部具有塔形形貌,这一现象与理论推导结果一致。我们认为MgO单晶 基片上形成的规则排列的带有台阶的四方形刻蚀坑及不连续的An膜对形成规则 排列的Gall纳米棒阵列起着非常重要的作用。 用化学气相沉积法,在经过特殊处理的* 单晶基片上成功地合成出一种 新形态的GaN低维纳米材料—一GN纳米镊子。结果分析表明:纳米镊子是由 底部的一根纳米棒和上部的两根纳米针组成,并且纳米镊子是具有闪锌矿结构的 GaN。我们认为经化学刻蚀后的立方 MgO ( 00)单晶基片上形成的许多小山峰 样突起在纳米镊子的形成过程中起到了关键作用,并且纳米镊子是按照类似于异 质气相外延的生长方式进行生长。光致发光谱研究表明,GaN纳米镊子在蓝带区 有一个很强的发光峰,与文献报道的立方GaN薄膜的光致发光谱相比,发光位置 有红移现象。 通过金属镜与水蒸气直接反应,分别在无图案装饰和有图案装饰的MgO单 晶基片上获得大量p-GaO3纳米线和连接于金属 Ag催化剂岛之间的单根p-GaO3 纳米线。FE-S]3:M,EDX,XA12,TEM和 SAED显示:纳米线是具有单斜晶系的 尸GazO3单晶体,并且单根g七azO3纳米线根植于Ag催化剂岛,形成了桥连于 金属催化剂岛的纳米线阵列。


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