纳米氮化铝的氨热合成及其光致发光

纳米六方相氮化铝的合成和光学性能研究
颜国君;陈光德;吕惠民
【期刊名称】《化学学报》
【年(卷),期】2006(064)016
【摘要】报道了以AlCl3和Mg3N2为反应物,在500℃条件下,用简易的设备,合成六方相AlN纳米材料.样品的XRD和XPS图谱表明,实验得到的AlN样品是纯的六方相AlN,其中的杂质相含量均小于仪器的探测灵敏度.TEM图表明,AlN样品呈多孔网络状结构,网络的骨架大小在10～20 nm之间.对AlN样品的光学性能的研究表明,AlN样品的禁带宽度值约为6.12 eV;红外吸收谱以680 cm-1为中心形成一个很宽的红外吸收带;其拉曼散射峰较AlN薄膜和AlN单晶向低波数方向移动.【总页数】5页(P1688-1692)
【作者】颜国君;陈光德;吕惠民
【作者单位】西安交通大学理学院应用物理系,西安,710049;西安交通大学理学院应用物理系,西安,710049;西安交通大学理学院应用物理系,西安,710049
【正文语种】中文
【中图分类】O6
【相关文献】
1.六方相NaSmF_4纳米棒的水热合成与发光性能 [J], 陆子飚;陶锋;阮东城;王志俊;孙宇峰;
2.六方相NaSmF4纳米棒的水热合成与发光性能 [J], 陆子飚;陶锋;阮东城;王志俊;
孙宇峰
3.六方相ZnS单晶纳米线束的合成及其光学性质研究 [J], 韩敏;张文莉;石乃恩;徐正;包建春;刘洪江;朱建明
4.六方相LaF3纳米晶体的水热合成法制备及结构表征 [J], 刘碧蕊; 伏振兴; 申学鹏
5.六方相NaEuF_4纳米纺锤体和纳米棒的水热控制合成 [J], 陶锋;王志俊;孙宇峰;姚连增;蔡维理
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第31卷㊀第6期2017年㊀12月齐㊀鲁㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报JOURNAL OF QILU UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.31㊀No.6Dec.㊀2017收稿日期：2017－10－26㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀网络出版时间：2017－12－31基金项目：大学生创新创业训练计划项目(201610431029),山东省高等学校科技计划(J16LA11),山东省重点研发计划(2017GGX20122),特种功能材料技术教育部重点实验室(KF2017006)作者简介：王洋(1996 ),本科生；研究方向:功能类陶瓷基复合材料.∗通讯作者：王志浩(1987 ),讲师,博士；研究方向:功能类陶瓷基复合材料；wangzhihao0805＠.㊀㊀文章编号：1004－4280（2017)06－0007－04DOI ：10.16442/ki.qlgydxxb.2017.06.002单晶氮化硅纳米线的合成制备与光致发光性能研究王㊀洋1，魏慧敏1，王志浩1，2∗，苏庆晓1，贺立香1，李晓东1，王美婷1(1.齐鲁工业大学材料科学与工程学院,济南250353；2.武汉理工大学特种功能材料技术教育部重点实验室,武汉430070)㊀㊀摘㊀要：本文采用氮气保护高能球磨及硅粉直接氮化工艺制备高纯㊁单晶氮化硅纳米线㊂使用X 射线衍射仪(XRD )㊁扫描电子显微镜(SEM )㊁高分辨率透射电子显微镜(HRTEM )和激光共聚焦显微拉曼光谱仪对实验产物的物相结构㊁微观结构及光学性能进行分析㊂在室温下使用325nm 激光对样品进行激发,观察到样品具有较宽的发射光谱,波长范围为350~670nm ；发光光谱中存在三个由缺陷跃迁引起的发光峰㊂关键词：高能球磨；高温氮化；氮化硅纳米线；光致发光性能中图分类号：TB34㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码：AResearch on Preparation and Photoluminescence Property ofSingle-crystalline Silicon Nitride NanowiresWANG Yang 1,WEI Hui-min 1∗,WANG Zhi-hao 1,2∗,SU Qing-xiao 1,HE Li-xiang 1,LI Xiao-dong 1,WANG Mei-ting 1(1.School of Materials Science and Engineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China；2.Key Laboratory of Advanced Technology for Specially Functional Materials,Ministry of Education,Wuhan 430070,China)㊀㊀Abstract :In this paper,single-crystalline silicon nitride nanowires with high purity were synthesized via high-temperature nitriding of the nanocrystalline silicon powders.The nanocrystalline silicon powders were obtained by high-energy ball-milling in N 2.XRD,SEM,HRTEM and laser confocal micro-Ramanspectrometer were used to characterize the phase,microstructure and photoluminescence of the as-synthesized nanowires.The optical property of the silicon nitride nanowires was measured using 325nm laser as the excitation source at room temperature.The nanowires exhibited a broad emission band which ranges from 350nm to 700nm.Three obvious peaks caused by the inherently defects can be analyzed with Gaussian Fitting.Key words :high-energy ball-milling；high-temperature nitridation；silicon nitride nanowires；photoluminescence property㊀㊀近年来,半导体材料在国民经济和国防现代化建设中发挥着越来越重要的作用,研究焦点亦已转向新一代短波长宽禁带半导体材料㊂宽禁带半导体主要包括氮化物㊁氧化锌㊁碳化硅等,因其具有更宽的禁带宽度㊁更高的热导率及更优的抗辐射能力和化学稳定性,更加适宜于用作高温㊁高频和大功率电子器件㊂氮化硅纳米线半导体材料由于兼具了氮化硅材料的高比强㊁高比模㊁耐高温㊁抗氧化㊁抗辐射和禁带宽度宽(约5.3eV)等本征特性以及一维纳米材料㊀㊀㊀㊀㊀齐㊀鲁㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第31卷独特的电子㊁空穴传输性能,可作为一种优良的 结构 功能一体化 宽禁带半导体材料,适用于高温环境和辐射环境[1－5],并通过改变能带结构调控其光致发光性能,可满足不同的光电应用要求[6]㊂现阶段,经过研究人员的不懈努力,已通过多种方法成功制备出氮化硅纳米线㊂其制备方法主要包括:直接氮化法[7,8]㊁碳热还原法[9]㊁高温热解法[10]㊁化学气相沉积法[11]㊁溶胶 凝胶法[12]等㊂现有制备方法制得的氮化硅纳米线存在产率偏低㊁纯度低㊁易氧化㊁直径难以有效控制等问题㊂本文采用氮气保护高能球磨及高温氮化工艺制备高纯㊁单晶氮化硅纳米线,并研究其光致发光性能,为氮化硅纳米线在光电子领域的实际应用提供技术支持㊂1㊀实㊀验选取市售高纯硅粉(99.9％,325目,中诺新材(北京)科技有限公司)作为原料,将原料硅粉与不锈钢研磨球(直径5mm)按质量比32ʒ1装入不锈钢球磨罐中,抽真空后向球磨罐中通入高纯氮气；在氮气保护条件下,分别球磨6h㊁12h㊁24h,收集制得的纳米晶硅粉㊂将经过超声分散的纳米晶硅粉放入氧化铝坩埚中,放置在高温管式气氛炉中,加热至1250~1300ħ后,保温2~4h,冷却至室温,收集制得氮化硅纳米线㊂使用D8－ADVANCE型X-射线衍射仪(XRD,德国布鲁克)对实验样品的物相组成进行测试,测试条件:Cu靶Kα射线,步长0.02ʎ,扫描范围10ʎ~ 80ʎ㊂采用S-3400型扫描电子显微镜(SEM,日本日立)观察实验样品的显微结构,样品表面需喷金㊂使用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM,日本电子)对实验样品的显微结构及高分辨晶格相进行观察㊂使用InVia-Reflex型激光共聚焦显微拉曼光谱仪(英国雷尼绍)对实验样品的光致发光性能进行测试,测试条件:激发波长325nm,扫描区间:350 700nm㊂2㊀结果与讨论2.1㊀纳米晶硅粉的物相及微观结构分析对原始硅粉与球磨不同时间制得的纳米晶硅粉进行XRD分析㊂由图1可以看出,经氮气保护高能球磨制得的纳米晶硅粉中只存在Si的特征衍射峰(PDF卡片号:27－1402),未发现其他物质的衍射峰㊂随着球磨时间的延长,纳米晶硅粉的衍射峰相较于原料硅粉的衍射峰逐步宽化且强度逐渐降低㊂通过半峰宽法(FWHM)对Si(111)晶面进行分析,计算得出球磨6h㊁12h㊁24h制得的纳米晶硅粉的晶粒尺寸分别为64.72nm㊁51.65nm㊁38.53nm㊂通过氮气保护高能球磨成功制得高纯纳米晶硅粉㊂图1㊀原始硅粉和球磨不同时间（6h㊁12h㊁24h)制得的纳米晶硅粉的XRD图谱对球磨24h制得的纳米晶硅粉进行透射电镜(TEM)分析㊂由图2可以看出,球磨制得的纳米晶硅粉的晶粒尺寸为30~45nm,与半峰宽法计算结果较为相符㊂通过调整球磨时间可制得晶粒尺寸均匀㊁可控的纳米晶硅粉㊂图2㊀球磨24h制得的纳米晶硅粉的TEM图8第6期王㊀洋,等:单晶氮化硅纳米线的合成制备与光致发光性能研究2.2㊀氮化硅纳米线的物相及微观结构分析对球磨24h制得的纳米晶硅粉进行氮化处理,氮气气氛流量为200sccm,加热至1250~ 1300ħ,保温2~4h,收集制得的产物进行物相分析㊂图3分别为1250ħ下保温2h㊁1250ħ下保温4h㊁1300ħ下保温4h制得的产物的XRD图谱㊂从图中可以看出:当氮化温度为1250ħ时,分别保温2h㊁4h,产物的XRD图谱中均存在Si的衍射峰,纳米晶硅粉反应不完全；当氮化温度为1300ħ㊁保温时间为4h时,纳米晶硅粉反应完全,生成的产物为α-Si3N4(PDF卡片号:09－0250)和β-Si3N4(PDF卡片号:33－1160)㊂图3㊀不同氮化工艺条件制得的产物的XRD图谱图4分别为纳米晶硅粉经1300ħ氮化处理后制得的产物的SEM图(a)㊁TEM图(b)㊁HRTEM和SAED图(c)㊂从图a可以看出:产物中无明显颗粒状物质存在,结合XRD图谱可知纳米晶硅粉完全反应生成氮化硅纳米线,且制得的纳米线直径均匀㊂制得的氮化硅纳米线的直径为40~50nm(图b),与所选用的纳米晶硅粉的晶粒尺寸基本相符,说明通过控制纳米晶硅粉的晶粒尺寸可实现对氮化硅纳米线直径的有效控制㊂通过HRTEM图(图c)可以看出:实验制得的氮化硅纳米线晶格条纹清晰,具有良好的结晶度,晶格条纹间距为0.44nm,属于α-Si3N4 (PDF卡片号:09－0250)的(101)面；纳米线表面无明显非晶层形成,说明本实验工艺可有效避免氮化硅纳米线氧化㊂通过SAED图可以看出氮化硅纳米线的衍射斑点成点阵排列,说明制得的纳米线具有单晶结构㊂采用氮气保护高能球磨结合高温氮化工艺可成功制备高纯㊁单晶氮化硅纳米线㊂图4㊀氮化硅纳米线的（a)SEM图㊁（b)TEM图和（c)HRTEM㊁SAED图2.3㊀氮化硅纳米线的光致发光性能分析图5为单晶氮化硅纳米线在325nm激发光源下的光致发光图谱㊂从图中可以看出:本实验中的的单晶氮化硅纳米线具有良好的光致发光性能,发射光谱具有一个较宽的发光带(波长范围为350 670nm),最强发光峰位于510nm㊂对光致发光图谱进行高斯拟合,可得到三个不同的发光中心: 393nm㊁510nm㊁587nm㊂根据爱因斯坦光子理论:E＝hv＝hcλ可知393nm㊁510nm㊁587nm所对应的发光能量分别为3.15eV㊁2.43eV㊁2.11eV㊂现有研究表明[13－14],氮化硅作为一种间接带隙半导体,其发光机理属于缺陷发光㊂氮化硅纳米线中电子的跃迁包括价带和缺陷能级之间㊁缺陷能级和缺陷能级之间㊁缺陷能级和价带之间的电子跃迁㊂因此,通过分析可知2.43eV发光峰对应的电子跃迁过程为:价带ңSi悬键或Si悬键ңSi-Si键；9㊀㊀㊀㊀㊀齐㊀鲁㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第31卷3.15eV发光峰对应的电子跃迁过程为:价带ңN+4缺陷或N悬键ңSi-Si键；2.11eV发光峰对应的电子跃迁过程为:N+4缺陷ң导带或N悬键ңN+4缺陷㊂图5㊀325nm He-Cd激光器激发的单晶氮化硅纳米线的光致发光图谱3㊀结㊀论采用气氛保护高能球磨工艺制备高纯纳米晶硅粉,通过调控球磨时间实现纳米晶硅粉晶粒尺寸的有效控制；将纳米晶硅粉经高温氮化并在1300ħ下保温4h,成功制备高纯㊁单晶氮化硅纳米线,纳米线直径与所选用纳米晶硅粉晶粒尺寸基本相符㊂在325nm激光激发下,氮化硅纳米线的发光光谱具有一个较宽的发光带(波长范围为350 670nm),存在三个由缺陷能级跃迁引起的发光峰㊂参考文献：[1]㊀WONG E W,SHEEHAN P E,LIEBER C M.Nanobeam mechan-ics:elasticity,strength and toughness of nanorods and nanotubes [J].Science,1997,277:1971－1975.[2]㊀SHIBATA N,PENNYCOOK S J,GOSNELL T R,et al.Observa-tion of rare-earth segregation in silicon nitride ceramics at subnano-metre dimensions[J].Nature,2004,428:730－733. [3]㊀CHEN I W,ROSENFLANZ A.A tough SiAlON ceramic based onalpha Si3N4with a whisker-like microstructure[J].Nature, 1997,389:701－704.[4]㊀RILEY F L.Silicon nitride and related materials[J].J.Am.Ce-ram.Soc.,2000,83:245－265.[5]㊀ZHANG L G,JIN H,YANG W Y,et al.Optical poperties of sin-gle-crystalline alpha-Si3N4nanobelts[J]Appl.Phys.Lett., 2005,86:061908.[6]㊀吕百达.固体激光器件[M].北京邮电大学出版社,2002.[7]㊀LIU D,SHI T L,ZHANG L,et al.Bulk synthesis of long siliconnitride nanowires on silicon wafer[C].IEEE Nanotechnology Ma-terials and Devices Conference,2011,512－516.[8]㊀CHEN J,WANG X G,ZHANG H Y.Preparation and ESR prop-erties of silicon nitride nanowires[J].Appl.Mech.Mater.,2012, 164:69－72.[9]㊀LI G Y,LI X D,WANG H,LI Z Q.Long silicon nitridenanowires synthesized in a simple route[J].Appl.Phys.A, 2008,93:471－475.[10]㊀WANG W Q,ZHOU X P,ZHOU N J,et al.Synthesis of ul-tralong Si3N4nanowires by a simple thermal evaporation method[J].Rare Metal,2013,32:186－190.[11]㊀DU H L,ZHANG W,LI Y.Effects of growth parameters on theyield and morphology of Si3N4microcoil prepared by chemical va-por deposition[J].Mater.Res.Bull.,2014,50:57－62. [12]㊀OMIDI Z,GHASEMI A,BAKHSHI S R.The influence of pro-cessing parameters on the fabrication of Si3N4wires[J].Sol-GelSci.Technol.,2012,64:245－250.[13]DESHPANDE S V,GULARI E,BROWN S W,et al.Optical prop-erties of silicon nitride films deposited by hot filament chemicalvapor deposition[J].Appl.Phys.,1995,77(12):6534－6541.[14]㊀YIN L W,BANDO Y,ZHU Y C,et al.Synthesis,structure,and photoluminescence of very thin and wide alpha silicon nitride(α-Si3N4)single-crystalline nanobelts[J].Appl.Phys.Lett.,2003,83(17):3584－3586.（责任编辑：刘㊀辉，校对：刘㊀青)01。

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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本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为纳米AlGaN的发光特性研究的全部内容。

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。

稀土元素掺杂氮化铝纳米材料的研究进展基金项目：2021年北华大学大学生创新创业训练计划项目“自组装AlN稀磁半导体纳米结构构建”（202110201068）摘要:氮化铝(AlN)是一种宽禁带III族氮化物，具有导热系数高、机械强度强、热稳定性好、介电常数低等优点。

稀土元素(RE)掺杂被认为是进一步提高AlN性能及其应用的有效方法。

本文对几种RE元素掺杂AlN后所形成的稀磁半导体(DMS)纳米结构进行介绍，阐明微纳结构与光电性能间的构效关系与物理本质，为稀土元素掺杂氮化铝纳米材料的潜在应用提供理论依据。

关键词:氮化物；稀土元素；掺杂；纳米结构中图分类号:O469文献标识码: A材料的性能与结构密切相关，实现材料形貌、取向、维度的可控合成是材料科学研究的热点和难点。

纳米材料由于尺寸效应往往具有与其体材料完全不同的物理特性，而由多个纳米单元组合而成的纳米系统常可以表现出比单个纳米单元更优异的特性，这种自发组装的行为吸引了研究者的广泛关注。

对纳米材料自发组装行为的系统研究，不仅有助于加深对纳米科学的理解，还能获得具有协同增强效应的新型材料，在光电技术、气敏光敏、能源储存、催化传感等领域具有重要用途。

氮化铝(AlN)作为一种重要的功能材料，在电子、光电和发光器件等领域受到广泛关注。

稀土元素(RE)掺杂被认为是进一步提高AlN性能及其应用的有效方法。

掺杂可以通过增加载流子数量来改善AlN的电子性能。

AlN作为带隙最大的半导体材料(6.2 eV)，可通过掺杂剂实现从紫外到红外范围的带隙调控。

引入适当的掺杂剂，可以制备出性能优异的稀磁半导体(DMS)。

因此，RE掺杂AlN具有新颖的电子、光学和磁性能，在光电子和自旋电子学器件领域具有重要意义。

目前，有关RE掺杂AlN纳米结构合成和掺杂行为对AlN晶体生长及物性影响的研究相对较少。

本文基于等离子体辅助直流电弧放电装置，对多种稀土元素掺杂氮化铝纳米结构的合成工作进行介绍，通过对多种物性表征的结果进行分析，建立纳米结构与各项物性之间的构效关系，为可控制备稀土掺杂AlN纳米结构提供新思路。