【摘要】：第三代半導體材料氮化鎵(GaN)是一種直接帶隙寬禁帶半導體,具有較高的電子飽和速度及載流子遷移率、高熱導率、出色的擊穿強度和耐高溫能力、較好的抗腐蝕和抗輻射能力等優(yōu)異性質(zhì)。GaN納米線作為低維半導體納米結(jié)構(gòu),擁有獨特的尺寸特征和性能優(yōu)勢,在納米光電器件和高功率納米電子器件等領域具有潛在應用價值,如紫外發(fā)光二極管,場效應晶體管,光電探測器,納米激光器和生化傳感器等。在前期研究基礎上,提出了一種簡單,廉價且環(huán)保的制備GaN納米線的方法,進一步研究了納米線的調(diào)控生長、光電性能和電催化性能,主要研究進展如下:1.利用低成本的等離子體增強化學系氣相沉積系統(tǒng)(PECVD),以各向同性石墨為襯底,金屬Ga為Ga源,不需要任何催化劑,通過Ga原子與N等離子體直接反應制備出了直徑范圍為90-200 nm,長度范圍為4-20μm的GaN納米線。通過對所制備的納米線的形貌、結(jié)構(gòu)和成分的表征,表明所制備的產(chǎn)物為多晶結(jié)構(gòu)的六方纖鋅礦GaN納米線,其形貌呈現(xiàn)為三維金字塔島狀結(jié)構(gòu)。進一步系統(tǒng)研究了生長溫度、射頻功率、生長時間、氣體流量等工藝參數(shù)對所制備GaN納米線的形貌和性能的影響。此外,通過表征分析和系列的對比試驗,提出了無催化劑制備GaN納米線的形核和生長的模型。2.采用上述方法所制備GaN納米線,系統(tǒng)研究了其光致發(fā)光(PL)和場發(fā)射性能。結(jié)果表明,所制備的GaN納米線具有良好的PL性能,納米線的形貌結(jié)構(gòu)對其PL性能產(chǎn)生顯著的影響。所制備GaN納米線也具有優(yōu)異的場發(fā)射性能,其開啟電壓低至4-6 V/μm,納米線結(jié)構(gòu)形貌對其場發(fā)射性能有一定的影響,進一步研究了結(jié)構(gòu)對其場發(fā)射性能的影響機制。3.將采用上述方法所制備GaN納米線進行了電催化性能的研究。研究表明無需修飾和負載的情況下,多晶GaN納米線即表現(xiàn)出優(yōu)秀的電催化析氫性能,其析氫電位為280 mV,這可能源于多晶GaN納米線結(jié)構(gòu)具有豐富的缺陷與突起結(jié)構(gòu),能夠在電解水的催化過程中提供大量的活性位點,有利于電解液的擴散和氣體的產(chǎn)生與脫附。所制備具有良好的電催化性能的多晶GaN納米線,將有望取代傳統(tǒng)貴金屬電催化材料,實現(xiàn)低成本高性能電催化器件。
【圖文】：

圖 1-1 GaN 晶體結(jié)構(gòu)示意圖：a) 纖鋅礦結(jié)構(gòu)，b) 閃鋅礦結(jié)構(gòu)Figure 1-1 Crystal structure of GaN, a) wurtzite，b) zinc blende表 1-1 為纖鋅礦 GaN 材料的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)，纖鋅礦 GaN 屬于六角密堆積結(jié)構(gòu)，P63mc 空間群，其密排面只有(0001)，，每個晶胞中有 12 個原子，其中包括 6 個 Ga 原子和 6 個 N 原子，其面內(nèi)和軸向的晶格常數(shù)分別為 a=0.3189nm，c=0.5185nm。閃鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 屬于立方密排堆積結(jié)構(gòu)，只有在一定的條件下才能存在。迄今為止，大多數(shù)科學研究中所使用的 GaN 材料均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的 GaN，這種結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定也更具有代表性。因此本文中如果沒有特殊說明，則所介紹的 GaN 材料均為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。表 1-1 GaN 材料的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]Table 1-1 Basic parameters of crystal structure and band structure of GaN material[3]參數(shù) GaN晶格常數(shù) a/nm 0.3189

圖 1-4 VLS 生長機制示意圖Figure 1-4 Schematic diagram of VLS growth mechanism氣-固(Vapor-Solid，VS)機制也稱蒸發(fā)-冷凝過程，其驅(qū)動力是再結(jié)晶或度減小所引起的吉布斯自由能的減小。VS 機制的具體形核和生長過程繁多，不盡相同，從熱力學角度分析，大致可以分為以下三種：1) 缺陷誘導形核和生長。位錯、孿晶界等缺陷可以降低成核勢壘能，誘導一維納米材料的形核和生1]其中由 Burton，Cabrera 和 Frank[32]等人提出的一種螺位錯作為連續(xù)源的理論較為經(jīng)典，被稱為 BCF 理論。MatthewJ[33]等人采用 BCF 理論解線的生長和扭折，如圖 1-5 所示，在暴露缺陷的晶面上始終存在一個臺形核點，生長過程中氣體分子選擇表面能高的扭折處沉積，以降低其表面導致一維納米材料的生長。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN304;TB383.1

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本文編號：2612516