六方相氮化镓微金字塔纳米线共生结构的大量合成和光学特征
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⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位,即米的十亿分之一。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1一100m)或者由它们作为基本单元构成的材料。
广义地说,纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。
1.1.1纳米材料的诞生及其发展早在】8世纪60年代,随着胶体化学的建立,科学家们就开始了对纳米微粒体系(胶体)的研究。
到20世纪50年代末,著名物理学家,诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。
他在1959年12月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈0意黑2=:盏:篙翼盎:见性的报告,并做出了美妙的设想:如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,那将会产生怎样的奇迹?理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。
随后,1977年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始,并定义为纳米技术(nanotcchnology)。
1982年Binining和Rohrer研制成功了扫描隧道显微镜(s1M),从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。
1990年美国IBM公司两位科学家在绝对温度4K的超真空环境中用sTM将Ni(110)表面吸附的xe原子在针尖电场作用下逐一搬迁,⑧浙江大学博士学位论文电子既具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。
近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。
量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在O.25um。
目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
氮化镓这是一种具有较大禁带宽度的半导体,属于所谓宽禁带半导体之列。
它是微波功率晶体管的优良材料,也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
简介GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
化学式GaNGaN材料的特性总述GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。
在大气压力下,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。
化学特性在室温下,GaN不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。
NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差的GaN,可用于这些质量不高的GaN 晶体的缺陷检测。
GaN在HCL或H2气下,在高温下呈现不稳定特性,而在N2气下最为稳定。
结构特性表1列出了纤锌矿GaN和闪锌矿GaN的特性比较。
电学特性GaN的电学特性是影响器件的主要因素。
未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。
一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。
很多研究小组都从事过这方面的研究工作,其中中村报道了GaN最高迁移率数据在室温和液氮温度下分别为μn=600cm2/v·s和μn= 1500cm2/v·s,相应的载流子浓度为n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。
氮化镓相关知识点总结一、氮化镓的基本特性1.1 物理特性氮化镓是β相结晶形态,为六方晶系,晶格常数a=3.190 Å,c=5.185 Å。
氮化镓具有较大的禁带宽度,约为3.39 eV,使得它具有优异的光电特性。
此外,氮化镓具有较大的电子饱和漂移速度,高电子迁移率和热导率,使其在高频、高功率器件中具有广泛的应用前景。
1.2 光电特性氮化镓的宽禁带带来了其优异的光电特性,如高光电转换效率、辐射较少的载流子复合效应等。
这使得氮化镓在LED、LD等光电器件中具有广泛的应用。
1.3 化学特性氮化镓具有较高的化学稳定性,可以抵抗许多化学介质的侵蚀,具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
这使得氮化镓在高温、高压环境中具有良好的稳定性。
二、氮化镓的制备方法2.1 气相外延法(MOVPE)气相外延法是目前最为常用的氮化镓制备方法,其原理是通过化学气相沉积在衬底上沉积氮化镓薄膜。
该方法具有制备工艺简单、成本低廉、薄膜质量好等优点,已经成为了氮化镓材料的主要制备方法。
2.2 分子束外延法(MBE)分子束外延法是一种高真空下利用分子束沉积法制备氮化镓薄膜的方法。
由于该方法的沉积速率较低,因此得到的氮化镓薄膜具有较高的质量,适用于制备一些高要求的器件。
2.3 氢化氨气相外延方法(NH3-MBE)氢化氨气相外延法是一种通过气相反应生成氮化氢的方法,由于氮化氢的分解温度较低,因此可以用于较低温度下制备氮化镓薄膜,可用于某些温度敏感的器件。
2.4 氮化镓单晶生长方法氮化镓单晶生长方法主要包括氮化镓晶体生长、离子助熔生长等。
这些方法主要应用于高性能器件的制备,得到的氮化镓单晶质量较高,适用于一些高性能要求的器件。
三、氮化镓的器件应用3.1 LED氮化镓LED是目前最为普及的LED器件之一,它具有较高的光电转换效率、较长的使用寿命、较高的亮度和颜色纯度等特点,已经广泛应用于照明、显示等领域。
3.2 LD氮化镓LD是一种将电能转化为光能的器件,具有较高的输出功率、较小的尺寸和窄的谱线宽度等优点,是高速光通信和激光打印等领域的重要组成部分。
纳米AlGaN的发光特性研究编辑整理:尊敬的读者朋友们:这里是精品文档编辑中心,本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的,发布之前我们对文中内容进行仔细校对,但是难免会有疏漏的地方,但是任然希望(纳米AlGaN的发光特性研究)的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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摘要AlGaN是一种重要半导体光电材料,具有最高的直接带隙,高热导率,高熔点,高硬度,低膨胀系数,优良的化学稳定性和无毒性等特点[1]。
采用化学气相沉积法,在较低工艺温度下将金属铝粉直接氮化合成纤锌矿结构的AlN纳米线和镓掺杂的AlGaN纳米线。
分别用拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM) 和能谱对AlN 纳米线的形貌和光学性能进行表征。
比较、分析光致发光光谱,定性的探讨AlGaN的发光机理是缺陷发光。
结果表明:不同温度合成的AlGaN的发光谱的峰位不同,是由氮空位或镓空位造成.温度的升高由镓空位引起的缺陷发光带宽有变窄的趋势,由氮空位的引起的缺陷发光带宽有变宽的趋势。
目前已知以AlGaN组成的发光层可以实现红色、绿色和蓝色显示的发展状态。
随着研究的深入AlGaN将会是一种很有发展前途的发光半导体材料。
关键字:氮化镓铝;半导体材料;发光特性AbstractAlGaN semiconductor crystals with high thermal conductivity,high temperature insulation resistance and dielectric properties of materials under high temperature strength, low coefficient of thermal expansion and the match with the silicon semiconductor materials, non-toxic, etc。
六方氮化硼紫外吸收峰-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以描述六方氮化硼紫外吸收峰的背景和重要性。
以下是概述部分的内容建议:六方氮化硼(h-BN)是一种具有特殊结构和性质的二维材料。
它由B 和N原子组成,具有六角形的晶格结构。
由于其独特的化学成分和晶体结构,六方氮化硼在各个领域中具有广泛的应用前景。
紫外吸收峰是六方氮化硼独特的光学性质之一,指的是在紫外光区域内发生的特定吸收峰。
这一特性使得六方氮化硼在紫外光谱学、光电子学和其他相关领域中成为研究的热点。
通过研究六方氮化硼的紫外吸收峰,我们可以了解其能带结构、能带间距以及电子结构等方面的信息。
本文旨在介绍六方氮化硼紫外吸收峰的特性、制备方法以及影响因素等方面的内容,并探讨其在材料科学、能源领域和光电子学等领域的潜在应用前景。
通过深入了解六方氮化硼的紫外吸收峰,我们可以更好地理解其在相关领域中的应用和发展趋势,为材料研究与应用提供理论指导和实验依据。
在接下来的正文部分,我们将首先介绍六方氮化硼的特性和制备方法,然后重点讨论六方氮化硼的光学性质,包括紫外吸收峰的起源、位置和强度等方面。
接着,我们将进一步探讨影响六方氮化硼紫外吸收峰的因素,并展望其在材料科学和光电子学等领域的应用前景。
通过本文的内容,读者将能够全面了解六方氮化硼紫外吸收峰的特性和应用价值,进一步提高对该材料的认识和理解。
希望本文能为相关领域的研究者提供参考和启发,推动六方氮化硼的应用与发展。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下信息:在本文中,我们将按照以下结构来介绍六方氮化硼紫外吸收峰的相关内容。
首先,我们将在引言部分概述整篇文章的内容。
介绍六方氮化硼紫外吸收峰的研究意义以及该领域的研究现状。
接下来,在正文部分,我们将分为三个子节来讨论关于六方氮化硼的特性、制备方法和光学性质。
在2.1节中,我们将介绍六方氮化硼的晶体结构、力学性能和化学性质等方面的特性。
在2.2节中,我们将详细讨论六方氮化硼的制备方法和相关工艺。
氮化镓分子式1. 氮化镓的基本概念氮化镓是一种重要的半导体材料,具有优异的电学性能和热学性能。
它由氮原子和镓原子组成,化学式为GaN。
氮化镓晶体具有六方晶系结构,属于III-V族半导体材料。
2. 氮化镓的结构特点氮化镓晶体具有紧密堆积的六角形结构,每个镓原子周围都被6个氮原子包围。
这种紧密堆积的结构使得氮化镓晶体具有良好的机械强度和热传导性能。
此外,由于氮原子与镓原子之间存在较强的共价键,氮化镓具有较大的带隙能量(约3.4电子伏特),使其在高温下保持较好的电学性能。
3. 氮化镓的制备方法3.1 化学气相沉积法(CVD)CVD是一种常用的制备氮化镓薄膜的方法。
在CVD过程中,通过将金属有机前驱物(如三甲基胺镓)和氨气(NH3)引入反应室中,使其在高温下发生化学反应生成氮化镓薄膜。
CVD方法制备的氮化镓薄膜具有良好的均匀性和较高的结晶质量。
3.2 分子束外延法(MBE)MBE是一种高真空下制备氮化镓薄膜的方法。
在MBE过程中,通过在衬底上加热金属镓,使其蒸发并沉积在衬底表面。
同时,通过向衬底表面注入氮原子束,使其与金属镓反应生成氮化镓。
MBE方法制备的氮化镓薄膜具有较好的晶体质量和界面平整度。
3.3 气相传输法(HVPE)HVPE是一种利用液态金属源进行气相传输的方法制备大尺寸、高质量的氮化镓晶体。
在HVPE过程中,将金属镓和氢氟酸等反应物放置于石英管内,在高温下进行反应生成氮化镓晶体。
HVPE方法制备的氮化镓晶体可用于大规模集成电路和光电器件等领域。
4. 氮化镓的应用领域4.1 光电子器件氮化镓具有较大的带隙能量和较高的电子迁移率,使其在光电子器件领域具有广泛应用。
例如,氮化镓发光二极管(LED)可用于照明、显示和通信等领域;氮化镓激光器可用于光通信和激光显示等领域。
4.2 功率器件由于氮化镓具有较高的击穿电场强度和较好的热导性能,使其在功率电子器件领域具有重要应用。
氮化镓场效应晶体管(HEMT)可用于高频功率放大器、雷达系统和无线通信设备等领域;氮化镓异质结二极管(HBT)可用于射频功率放大器和混频器等领域。
专利名称:一种六方MoTe纳米片及制备方法专利类型:发明专利
发明人:祁祥,乔辉,钟建新
申请号:CN202010773212.9
申请日:20200804
公开号:CN111704165A
公开日:
20200925
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明提供了一种六方MoTe纳米片及其制备方法,所述六方MoTe纳米片形貌为六边形的超薄纳米片结构。
本发明采用MoO和TeO氧化剂为前驱物,乙二醇为还原剂,通过液相水热合成的方法制备MoTe纳米片,反应过程中通过调控反应温度、时间、pH值可以获得尺寸统一、形貌均匀的六边形的超薄MoTe纳米片。
本发明是首次通过液相水热合成的方法成功合成了六边形的超薄MoTe纳米片。
本发明操作简单,反应温度在中低温下进行,对设备要求低,且原料成本低,适合大规模生产。
申请人:湘潭大学
地址:411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘27号
国籍:CN
代理机构:长沙市融智专利事务所(普通合伙)
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氮化镓晶体的结构特性氮化镓(Gallium Nitride,简称GaN)晶体是一种具有重要应用价值的半导体材料。
它在光电子、电力电子和微波电子等领域显示出了出色的性能。
深入了解氮化镓晶体的结构特性,有助于我们更好地理解其优异的性能和广阔的应用前景。
1. 晶体结构氮化镓晶体的结构特性对其电子特性和光学性质具有重要影响。
氮化镓晶体属于六方晶系,其晶格参数较为特殊。
晶体呈现出六方最密堆积结构,其中镓原子和氮原子交替排列,形成类似于蜂窝状的结构。
这种排列方式使得氮化镓晶体具有较好的晶体质量和良好的热稳定性。
2. 布里渊区布里渊区是描述晶体结构特性的概念。
对于氮化镓晶体来说,其布里渊区较为独特。
布里渊区是指晶体中允许的电子能级和晶格的关系,决定了晶体中电子和光子的行为。
氮化镓晶体的布里渊区相对于其他材料来说较大,这意味着它有更多的电子能级可以使用,从而使其具有更好的电子迁移率和更广的带宽。
3. 带隙带隙是指材料中能量电子能级和禁带之间能量差的范围。
对于氮化镓晶体来说,其带隙较宽,约为3.4电子伏特,这使得它具有优异的光学特性。
宽带隙意味着氮化镓晶体能够在可见光和紫外光范围内有效吸收和发射光线,因此在光电子领域具有广泛的应用前景,如LED、激光器等。
4. 晶体缺陷晶体缺陷是指晶格中存在的缺陷点或断裂面,对材料的性能和稳定性有一定影响。
对于氮化镓晶体而言,晶体缺陷的形成与其生长过程密切相关。
晶体缺陷可以通过合适的生长方法和材料处理技术进行控制和修复,以提高氮化镓晶体的质量和性能。
总结回顾:氮化镓晶体的结构特性对其性能和应用具有重要影响。
其六方最密堆积结构和布里渊区的特点使其具有良好的晶体质量和较高的热稳定性。
宽带隙使其在光电子领域具有广泛的应用前景。
然而,晶体缺陷仍然是制约其质量和性能的因素之一,需要通过适当的技术手段进行控制和修复。
个人观点和理解:作为一名文章写手,我对氮化镓晶体的结构特性感到十分着迷。
它的特殊结构使其在光电子和电力电子领域具有巨大的潜力。
氮化镓晶胞晶系
氮化镓晶胞晶系
氮化镓是一种新兴的半导体材料,具有优异的电子、光学和热学特性。
在红外光电子、光电子学和高功率电子器件中有广泛的应用。
氮化镓的晶体结构
氮化镓晶体结构有两种形式:六方晶系和立方晶系。
其中六方晶系又
分为α型和β型。
α-氮化镓晶体结构
α-氮化镓晶体结构属于六方晶系,空间群P63mc。
它的晶胞结构是四
元格子结构,具有六个晶胞参数:a,c,u,v,w和x。
晶胞参数解释如下:
a:六方向a轴的长度。
c:六方向c轴的长度。
u、v、w和x:描述六个晶胞中六边形的形状和相互关系的参数。
β-氮化镓晶体结构
β-氮化镓晶体结构属于六方晶系,空间群P63mc。
它的晶胞结构是八
元格子结构,具有八个晶胞参数:a,b,c,α,β,γ,u和v。
晶胞参数解释如下:
a、b、c:六方向的长度。
α、β、γ:六方向之间的夹角。
u、v:八个晶胞中六边形的形状和相互关系的参数。
立方晶系的氮化镓
氮化镓的立方晶系结构是由两个原子构成的晶格,空间群F-43m。
它只有一个晶胞参数:a。
晶胞参数解释如下:
a:结构的晶格常数,代表晶胞的长度。
总结
氮化镓的晶体结构有α型和β型两种六方晶系,还有立方晶系。
其晶体结构形式不同,但都具有优异的电子、光学和热学特性,在电子器件、红外光电子学、光电子学等领域得到广泛应用。
六方氮化镓的化学式《六方氮化镓(GaN)》嘿,同学们,今天咱们来聊聊这个六方氮化镓(GaN)的化学式。
这化学式啊,就像是化学物质的一个身份证,里面包含了好多有趣的化学信息呢。
咱们先来说说氮化镓这个物质是怎么组成的。
这里面有镓(Ga)和氮(N)两种元素。
就好比盖房子需要不同的材料一样,化学物质也是由不同的元素按照一定的规则组合起来的。
那它们是怎么组合在一起的呢?这就涉及到化学键啦。
大家可以把化学键想象成原子之间的小钩子。
在氮化镓里,镓和氮之间是共价键,这就好比镓原子和氮原子共用一些小钩子连接起来。
就像两个人合作拉一个东西,他们共同抓住一些绳子(小钩子)来保持联系。
这种共价键让镓和氮紧紧地结合在一起,形成了氮化镓这个稳定的化合物。
咱们再来说说分子的极性。
就像小磁针一样,有些分子一端带正电,一端带负电,这就是极性分子;有些分子正负电荷分布很均匀,就像二氧化碳那样,它是直线对称的,就像一个两边完全一样的哑铃,这就是非极性分子。
那氮化镓呢,它是一种晶体结构,在这个晶体里,原子的排列方式会影响它的一些电学性质,不过它可不是简单的分子极性概念就能完全涵盖的。
接下来讲讲化学平衡。
化学平衡就像是拔河比赛,反应物和生成物就像两队人。
在一个反应里,反应物会变成生成物,生成物也会变回反应物,这就是正反应和逆反应。
当正反应和逆反应的速率相等的时候,就好像拔河的两队人力量一样大,谁也拉不动谁了,这时候整个体系里反应物和生成物的浓度就不再变化,这就是达到了化学平衡状态。
不过对于氮化镓的形成反应来说,在合适的条件下反应会朝着生成氮化镓的方向进行,并且进行得比较彻底,不太容易出现像那种可逆反应中的平衡状态,因为这个反应是有一定的方向性和倾向性的。
再说说配位化合物这个概念,虽然氮化镓不是配位化合物,但是了解一下这个概念对理解化学物质之间的组合关系也有帮助。
在配位化合物里,有个中心离子就像聚会的主角一样,周围会有一些配体,这些配体就像是来参加聚会并且提供孤对电子共享的小伙伴。
氮化镓微米晶须及纳米线的制备与研究周江峰;王建朝;李昌义;潘华勇;冯孙齐;俞大鹏【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2002(010)001【摘要】报道了利用CVD方法大量制备超纯氮化镓微米晶须及纳米线的最新结果.利用镍、铟及其化合物等做催化剂,将金属镓放置在氨气氛中1 000℃左右进行反应,结果在衬底上获得了大量的氮化镓微米晶须,及纳米线.许多晶须还通过自组装形成了非常奇特的如梯子状的形貌.研究还发现,大部分氮化镓微米晶须的择优生长方向为<0001>方向(c轴方向).X射线衍射谱揭示,反应产物为非常纯的氮化镓晶体,而低温光致发光谱分析则发现,氮化镓微米晶须在520 nm处有一个杂质发光峰.这一研究结果有助于了解氮化镓晶体的生长机理,并可望应用于微米、纳米蓝光发光二极管等器件.【总页数】3页(P11-13)【作者】周江峰;王建朝;李昌义;潘华勇;冯孙齐;俞大鹏【作者单位】北京大学介观物理国家重点实验室,北京,100871;北京大学介观物理国家重点实验室,北京,100871;中国科学院北京半导体研究所,北京,100083;北京大学介观物理国家重点实验室,北京,100871;北京大学介观物理国家重点实验室,北京,100871;中国科学院北京半导体研究所,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TB383【相关文献】1.锌掺杂包覆状氮化镓纳米线的制备及表征 [J], 吴丽君;李林虎;张勃;张轩硕;宋建宇;沈龙海2.凝胶注模用高性能微米-纳米晶须氮化硅料浆的制备研究 [J], 庞学满;徐明霞3.配合物热分解制备氮化镓纳米线及其生长机理研究 [J], 展杰;郝霄鹏;吴拥中;温树林;蒋民华4.基于无催化剂化学气相沉积法的氮化镓纳米线制备和表征 [J], 李林虎;张勃;沈龙海;5.凝胶注模用高性能微米-纳米晶须氮化硅料浆的制备研究 [J], 庞学满;徐明霞因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
氮化镓晶体1.晶体结构[1-3]空间结构:空间群:P63mc平衡晶格常数:a=3.186 Å,c=5.186 Å基矢:Ga:N:基元坐标:Ga: 0 0 0,1/3 2/3 1/3N: 0 0 3/8,1/3 2/3 7/8分别对应的Wykoff符号:2a,3m,2a,2b。
2.晶体结构缺陷介伟伟等人[4]研究了GaN本征点缺陷Ga、N的空位缺陷,模拟计算了五种模型(GaN、Ga0.875N、Ga0.750N、GaN0.875、GaN0.750)的能带结构、差分电子密度,电子态密度。
得到了两种空位缺陷对GaN性能的影响,结果如下:表1.五种类型晶格常数和禁带宽度由表1可知,四种缺陷GaN的带隙宽度比无缺陷的GaN的要大;晶格常数都发生了改变:a值随空位的种类以及浓度的变化不大,而c值随Ga空位浓度增加而增大,随N空位浓度增加而减少。
图1.五种模型(110)面差分电子密度分布N的负电性比Ga的强,图1a中可以看到Ga-N键的电子云集中在N原子附近,Ga-N键具有明显的离子性。
图1b、c中由于存在Ga空位,电子云更加分散,使键作用增强,晶格常数c增加,导带向高能方向移动,价带向低能方向移动,导致禁带宽度增加。
图1d、e中存在N空位,随着N空位浓度逐渐增加(a→d→e),电子态密度下降,导致Ga-N的结合能减弱,价带向低能方向移动,导带也向低能方向移动,,但相对于价带的移动较小,且随着N 空位的增加导带又反向向高能方向移动得更多,所以随着N 空位的增加,GaN 的禁带宽度在不断地增加。
图2.态密度图谱图2(a)是理想GaN晶体的分态密度图,图2(b)是GaN、Ga0.875N、Ga0.750N的总态密度图谱,可以看出Ga0.875N、Ga0.750N与理想GaN的态密度峰值几乎出现在同样位置,而总太密度低于理想GaN的。
图2(c)中GaN0.875、GaN0.750态密度峰值出现位置与理想GaN相差很大,由于费米能级附近的电子态密度决定其电导率的大小,所以N缺陷对GaN的电导率影响较大。
Large-scale Synthesis and Optical Properties of Hexagonal GaN Micropyramid/Nanowire HomostructuresXu Xiang, Chuanbao Cao∗, Yajie Xu, Hesun ZhuResearch Center of Materials Science, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, P.R. ChinaThe free-standing, hexagonal GaN micropyramid/nanowire homostructures have been successfully synthesized in a large scale by a facile carbon-assisted thermal reduction route. The product was investigated using SEM, XRD, TEM, EDS, SAED, Raman and PL. The pyramids have lengths of 5~8 µm, and the maximal lateral size of 2~3 µm, exhibiting the growth characteristic of hexagonal crystal along c-axis. A single nanowire is grown out from the end tip of the pyramid along <0001> growth direction, indicating its epitaxial relationship with the pyramid. Raman studies reveal the characteristics of the hexagonal structure and high-crystallinity of the product. The room temperature PL spectrum displays strong band-edge emission centered at 372nm. The slight redshift originates from N vacancies caused by Ga-rich growth conditions. The formation mechanism was also discussed. The unique micro/nano structures are good entities for the investigation of fundamental physical phenomenon and also as building blocks for functional nanodevices.Key Words: GaN, Micropyramid, Nanowire∗Corresponding author. Tel: +86-10-68913792; Fax: +86-10-68912001.E-mail address: cbcao@1. IntroductionDuring the past few years, increasingly more efforts have been devoted to the fascinating and exciting field of nanomaterials, especially quasi-one-dimensional nanostructures such as nanowires (or nanorods) and nanotubes, because of not only their importance in understanding the dependence of properties on size and dimensionality of materials, but also the promising applications both as interconnects and as functional building blocks for novel electrical, optical and magnetic nanodevices [1-4].Gallium nitride (GaN), an important Ⅲ-Ⅴsemiconductor with a direct band gap of 3.4eV, has stimulated the growing interest owing to its superiority in thermal conductivity, electronic transport, and light-emitting. GaN-based materials are expected to have great prospects in high-power/high-temperature electronic devices, high-speed field-effect transistors, light-emitting diodes and laser diodes [5-7].Much attention has been paid to synthesize one-dimensional GaN nanowires since the first synthesis accomplished by Fan et al. via a carbon-nanotube-confined reaction. Those synthetic techniques include template-confined method [8,9], laser ablation [10,11], arc discharge [12], catalytic chemical vapor deposition (CVD) [13-18], and oxide-assisted growth [19]. A few efforts were also made for several new low-dimensional nanostructures such as GaN nanobelts [20,21] and nanotubes [22-24]. In contrast, the studies on other nanostructures such as prisms and pyramids etc. are quite rare. Although hexagonal GaN pyramids have been epitaxially grown on the patterned substrates by MOVPE technique [25,26], the selective lateral overgrowthprocess was rather technologically complicated.It remains great challenge to grow pyramids or similar structures in large scale by a simple and low-cost method. In this paper, we successfully synthesized a novel GaN micropyramid/nanowire homostructure in large scale via a facile carbon-assisted thermal reduction route for the first time. The optical investigations reveal excellent band-gap photoemission performance, suggesting the potential application in luminescent devices. Also, the GaN homostructures have predictable applications as either probes or electron-impact devices.2. ExperimentalFirstly, a cleaned silicon (100) wafer was coated with a layer Au thin film of 3nm by sputtering for the substrate. About 0.35g gallium oxide powders were grounded and then loaded into a graphite tube reactor. The Au-coated Si substrate was positioned inside the tube with a separation of 5~8mm from source material. The graphite tube was transferred into a ceramics tube in a horizontal tube furnace. The ceramics tube was sealed and pumped to remove residue air, and then was filled with NH3 gas (purity>99.9%). Subsequently, the furnace was heated from room temperature to setting temperature (1120℃) with an increasing rate of 10℃/min under a constant flow of NH3 of 100 ml/min. The typical reaction period was held for 120min. After reaction, the furnace was naturally cooled down to room temperature. A light yellow deposit appeared on the substrate surface.The structure and purity of the product was determined by X-ray powder diffraction (XRD, Philips X’Pert Pro MPD) with Cu Kα radiation (λ=0.15418 nm), The morphology and composition were analyzed by scanning electron microscopy (FESEM, Hitachi S-4500) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), The microstructure was characterized with transmission electron microscopy (TEM, Hitachi H-8100, accelerating voltage of 200kV). The Raman scattering measurements were performed by Raman spectroscopy (Renishaw, RM2000) with a confocal microscopy at room temperature. A 100x microscope objective lens was used for the focus of the laser beam and the collection of the scattered light. The 514.5nm line ofan Ar+ laser was used as an excitation source and the spot diameter of the focused laser beam on the sample is about 1 µm. The room temperature PL spectra were excited using a 325nm line of He-Cd laser.3. Results and discussionFig. 1 displays typical SEM images of the product. The overall morphology is shown in Fig. 1(a) and (b), exhibiting large quantity of pyramid-shape and wire-like structures grown on the substrate surface. The axial length of the pyramids is 5~8 µm, and the maximal lateral size is 2~3 µm. The pyramids show symmetric shape, clear side facets and a pyramidal end, revealing the characteristics of hexagonal crystal growing along c-axis. The nanowires have the diameters of several tens of nanometers, and lengths of several micrometers. Fig. 1(c) exhibits the growing status of two pyramids, where one grows across the middle of another. The end of an individual pyramid is shown in Fig. 1(d), which clearly displays an interesting phenomenon, i.e.a single nanowire growing out from the end tip of pyramid. Similar structures were also observed from other pyramids, indicating that the product was a unique GaN micropyramid/nanowire homostructure. The EDS measurements indicate that the product consists of the elements nitrogen and gallium, and the atomic ratio of N and Ga is 52.66: 47.34 (i.e. 1.1), near to the chemical stoichiometry of GaN.Fig. 2 shows a typical XRD pattern of the light yellow product grown on the substrate. The reflection peak at 2θ = 61.67°corresponds to the Si(400)K β reflection from single-crystalline silicon substrate. And other diffraction peaks in the pattern can easily be indexed to hexagonal GaN with wurtzite structure. Miller indices of hexagonal GaN were marked in this pattern. The calculated lattice parameters are a=3.189 and c=5.184, which agree well with those of bulk GaN (JCPDS Card No.76-0703). The sharp and narrow peaks reveal the product is highly crystalline. The XRD results suggest that the product is pure, single-phase hexagonal GaN.o A o A The TEM micrographs of a single GaN pyramid are shown in Fig. 3(a) and (b), revealing a typical symmetric pyramid-shape appearance. The pyramid appears no transparent morphology because of the thickness at micrometer scale. Noticeably, the lateral maximal size is not at the bottom of pyramid, but at the position from the bottom about 1/3 of the total length. Fig. 3(c) shows a GaN micro/nano homostructure, where a single GaN nanowire with diameter of 40~50nm grows out from the end of the pyramid. The inset is the corresponding SAED pattern, clearly displaying regular reflection spots. The electron beam is parallel to [100] zone axis, revealing the nanowire grows along <001> direction. The electron diffraction taken from differentplace along the axis of nanowire exhibits the identical pattern, indicating the single-crystalline nature of nanowire. According to SAED analysis, the nanowire is epitaxially grown along <0001>, which is identical with the axial direction of pyramid.Raman scattering of GaN has been intensively investigated by many a group. It is well known that hexagonal GaN bulk crystal (or GaN epilayer) has six first-order Raman active phonons, at 533, 735, 559, 743, 569 and 145cm-1, corresponding to A1(TO), A1(LO), E1(TO), E1(LO), E2(high), E2(low), respectively [27]. Here the Raman scattering spectrum of GaN pyramid/nanowire homostructures is shown in Fig.4. The shifts at 567, 531, 420, 143, and 669cm-1, can be identified. The peaks at 567, 531 and 143cm-1 can be assigned to E2(high), A1(TO), and E2(low) mode, respectively. The symmetric and strong E2(high) phonon line at 567 cm-1 reflects the characteristics of the hexagonal phase and high-crystallinity of GaN. Two distinguished features are also observed in the spectrum. Firstly, a weak phonon peak appears at 420cm-1, which is not allowed by P63mc space group in first-order Raman scattering at the zone center. Recent studies [28] by Liu et al. suggested this peak could be assigned to zone-boundary phonon activated by finite-size effects and surface disorder, or acoustic overtone of GaN. Another band at 669cm-1 displays a broad and asymmetric feature. Chen et al. regarded it as defect-induced phonon in their previous work [13], however, we consider that it is likely associated with the surface state levels due to the unique structure of GaN.The photoluminescence (PL) spectrum obtained by a He-Cd laser excitation atroom temperature is shown in Fig. 5. An intensive and symmetric UV emission at 372nm (3.33eV) is observed, and the yellow luminescence band [29] centered at 2.2~2.3eV is negligible in this spectrum. The UV emission band can be attributed to band-edge transition of hexagonal GaN [30]. The strong band-edge emission reveals highly crystallographic quality of the product. The redshift of band-edge emission is about 60meV, compared with the bulk GaN band-gap of 3.39eV [31]. A plausible explanation for the redshift can be C impurity considering the carbon-thermal growth conditions. However, the ionization energy of carbon was estimated to be 200meV regardless carbon atom occupies a Ga site or a N site [32], which is much higher than 60meV. Therefore, C impurity is not a primary reason for the redshift. It has been predicted that the energy of N vacancies lies about several tens of meV below the conduction band of GaN [33], which agrees well with the present redshift value. In addition, N vacancies are easily produced because N atoms are not enough to bond with abundant Ga atoms under the Ga-rich conditions. It is most likely that the redshift originates from N vacancies caused by Ga-abundant growth environment.In our present work, GaN pyramid/nanowire homostructures are grown on Au-coated silicon substrate in a space-confined reactor under carbon-thermal conditions, where graphite acts as carbon source. The following reactions could occur.Ga2O3(s) + 2C(graphite) Ga2O(g) + 2CO(g) (1) Ga2O(g) + 2NH3(g) 2GaN(s) + H2O(g) + 2H2(g) (2) On one hand, at high temperature, Ga2O3 source is reduced by graphite to produce gaseous Ga2O molecules. On the other hand, Au film is broken to form liquid Au clusters, uniformly dispersing on the substrate surface. Au clusters, as energy favorable sites, adsorb and capture Ga2O molecules in the gas phase, which act as “adsorbers”. Ga2O and NH3 molecules bond to produce GaN nuclei, and with continuous dissolve of gas species to nuclei, GaN begins to grow when the condition reaches supersaturation. As to the faceted pyramids, we believe it is strongly associated with both the intrinsic structure of material and the growing parameters. It is well-known GaN belongs to hexagonal crystal, and bulk GaN commonly presents hexagonal platelet or column shape, where the growth is along c-axis and is terminated by (0001) or (000-1) planes. In the present growing conditions, GaN grows along c-axis, enclosed by six smooth side facets, and finally forms pyramidal shape. Au clusters not only play the role of “adsorbers” but also influence the growth rate of different crystallographic planes. As for the growth of nanowires, we attribute it to the secondary nuclei effect, resulting from the imperfect of pyramid tapered end. The unique structure is favorable to the secondary nuclei. The formation of nanowires could be attributed to Vapor-Solid Epitaxy (VSE) mode with regard to the epitaxial growth relationship. It should be pointed out that we haven’t observed the existence of Au particles on pyramids or nanowires, and no trace Au was detected by XRD and EDS within the detection limit. Therefore, the further studies are necessary to understand the effect of Au in the growth process and to provide the experimental evidence for details.4. ConclusionsWe have successfully synthesized a novel GaN micropyramid/nanowirehomostructure via a carbon-assisted thermal reduction route. The results indicate that the product is highly crystalline hexagonal GaN. The pyramids have the lengths of 5~8 µm and the lateral maximal widths of 2~3 µm, which show hexagonal pyramidal shape and are enclosed by six smooth side facets. The nanowire, with the growth direction parallel to <0001>, is grown out from the top end of each pyramid. The growth process could correspond to Vapor-Solid Epitaxy mode. The Au plays an important role for the formation of the unique micro/nano structures. The PL spectrum shows intensive and narrow band-gap emission peaked at 372nm, revealing the excellent luminescent properties. The slight redshift is attributed to N vacancies caused by Ga-rich growth conditions.AcknowledgementsThis work was supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20020007029). One of the authors (X. Xiang) also thanks the support from Yumiao Foundation at Beijing Institute of Technology.References[1] Holmes J D, Johnston K P, Doty R C and Korgel B A 2000 Science287 1471[2] Cui Y, Wei Q Q, Park H K and Lieber C M 2001 Science293 1289[3] Huang M H, Mao S, Feick H, Yan H, Wu Y, Kind H, Weber E, Russo R and YangP D 2001 Science292 1897[4] Kong X Y, Ding Y, Yang R and Wang Z L 2004 Science303 1348[5] Zhong Z, Qian F, Wang D and Lieber C M 2003 Nano. Lett.3 343[6] Han S, Jin W, Zhang D, Tang T, Li C, Liu X, Liu Z, Lei B and Zhou C 2004Chem. Phys. Lett. 389 176[7] Qian F, Li Y, Gradec¡¦ak S, Wang D, Barrelet C J and Lieber C M 2004 Nano.Lett. 4 1975[8] Han W, Fan S, Li Q and Hu Y 1997 Science277 1287[9] Cheng G S, Zhang L D, Zhu Y, Fei G T, Li L, Mo C M and Mao Y Q 1999 Appl.Phys. Lett.75 2455[10] Duan X and Lieber C M 2000 J. Am. Chem. Soc. 122 188[11] Shi W, Zheng Y, Wang N, Lee C and Lee S 2001 Adv. 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The typical SEM images of the product, an overall view (a) and (b), one pyramid crossing another(c), a close view of the end of a single homostructure at high-magnification (d).Figure 2. The XRD pattern of the GaN homostructures, showing sharp and narrow reflections.Figure 3. TEM images of individual GaN pyramid (a) and (b), and a typical homostructure end (c), the inset presents the SAED pattern of the nanowire grown from the pyramid end.Figure 4. Raman scattering spectrum of GaN micro/nano homostructures. The excitation wavelength is 514.5nm from an argon ion laser.Figure 5. The room temperature PL spectrum of GaN homostructures. The excitation wavelength is 325nm from a He-Cd laser.Figure 1.Figure 2.Figure 3.Figure 4.Figure 5.。