【摘要】：二維納米材料是一種結(jié)構(gòu)為片狀的新型納米材料,水平尺寸大于100納米,但厚度只有單個(gè)或幾個(gè)原子厚。2004年二維單層材料因?yàn)槭┑陌l(fā)現(xiàn)正式宣布進(jìn)入納米材料的尖端領(lǐng)域。由于這些二維材料具有層狀晶體結(jié)構(gòu),極端的量子限制效應(yīng)導(dǎo)致獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì),因此在電子、光電子、光催化各個(gè)領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。作為Ⅲ族氮化物代表的GaN由于其優(yōu)異的特性已成為二維材料研究的熱點(diǎn),其二維結(jié)構(gòu)是制備新一代激光、電子器件和傳感器的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料。因此本文將圍繞二維的GaN基材料展開實(shí)驗(yàn)和理論兩部分研究。首先,利用CVD法使用液態(tài)鎵作為金屬催化基底在W襯底上制備二維GaN納米材料。探索其生長原理,通過比較分析生長溫度、氨氣流量以及反應(yīng)時(shí)間三種生長工藝參數(shù)對(duì)樣品微觀形貌的影響,對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明所制備的樣品為二維GaN納米材料,是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),且樣品缺陷密度較小,結(jié)晶性較好。之后,基于第一性原理研究了平面和屈曲結(jié)構(gòu)的二維單層GaN,以及在不同Al摻雜濃度下(12.5%、50%、75%、100%)兩種結(jié)構(gòu)的電子及光學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明平面結(jié)構(gòu)的二維單層GaN是間接帶隙半導(dǎo)體(2.00eV),其屈曲結(jié)構(gòu)為直接帶隙半導(dǎo)體(3.16eV)。隨著Al摻雜濃度的增加,平面結(jié)構(gòu)的帶隙隨之增大;屈曲結(jié)構(gòu)的二維單層GaN在摻雜濃度為50%時(shí),由直接帶隙變?yōu)殚g接帶隙,且?guī)吨蛋l(fā)生下降。因此可通過AlxGa1-xN合金來調(diào)控二維GaN帶隙。光學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn),Al摻雜使二維GaN吸收強(qiáng)度發(fā)生明顯變化,這為調(diào)控二維GaN光學(xué)性質(zhì)提供了依據(jù)。另外二維GaN在紫外-深紫外范圍內(nèi)發(fā)射,因此在紫外光探測(cè)器領(lǐng)域以及殺菌凈水工藝均有潛在的應(yīng)用前景。
【圖文】：

生長示意圖如圖2-1 所示。首先，，我們?cè)阪u襯底表面鋪一層均勻的液態(tài)鎵作為液態(tài)基底催化劑。采用液態(tài)金屬作為基底催化劑，主要是由于其表面并不存在晶界，流動(dòng)性強(qiáng)，而且非常均勻，優(yōu)于固態(tài)基底催化劑[71]。GaN 二維納米材料生長遵循表面反應(yīng)生長機(jī)制 ，液態(tài)鎵既作為基底催化劑同時(shí)也是 Ga 源，NH3做為反應(yīng)源前驅(qū)體，最終合成二維 GaN 納米材料。具體步驟如下：圖 2-1 二維 GaN 納米材料生長示意圖[71,72]Fig. 2-1 Schematic diagram of 2D GaN nanometerial growth[71,72]2.1.1 襯底的預(yù)處理與三維塊體材料相比，二維納米材料一般都會(huì)選擇在襯底上生長。而金屬襯底由于其與二維材料具有較強(qiáng)的相互作用，一般二維材料會(huì)選在金屬襯底上合成[73]。鎢的熔點(diǎn)為3410 ℃，具有耐高溫、穩(wěn)定、常溫下不受空氣侵蝕等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其他昂貴的金屬箔，鎢的價(jià)格適中，可節(jié)約成本。此外，鎢襯底與我們所使用的液態(tài)基底液態(tài)鎵浸潤性良好，易在鎢襯底上展開，因此我們實(shí)驗(yàn)選用鎢作為襯底。在本文實(shí)驗(yàn)中，W 襯底的處理包括W 片的切割、清洗以及在 W 片表面鋪展液態(tài)金屬催化劑 Ga 三個(gè)步驟。a. 襯底切割使用剪刀或金剛石筆將鎢箔切割成規(guī)格為 10mm×10mm，厚度為 0.05mm 的正方形鎢片。b. 襯底清潔(1) 把鎢箔放入 6ml 的乙醇溶液中

圖 2-2 液態(tài)金屬 Ga 基底催化劑表征Fig. 2-2 Characterization of Liquid Metal Ga Substrate CatalysaN 納米材料如圖 3-3 所示�？紤]到選取的液態(tài)基底催化劑為 Ga供 Ga 源，使用電子天平稱取 1mg 的金屬 Ga 并均勻 上，將處理好的 W-Ga 基底放置于石英舟中間，再央，氨氣提供氮源，在規(guī)格為 0.05mm×10mm×10maN 納米材料。具體實(shí)驗(yàn)操作過程為：通入 Ar 氣排除以保持爐管中的穩(wěn)定惰性環(huán)境以防 W-Ga 基底被高至 980℃時(shí)開始時(shí)通入 60sccm 的氨氣流量開始 G長完成后關(guān)閉氨氣流量控制器，待溫度降低至 750℃劇降導(dǎo)致的納米材料斷裂。最后待溫度到達(dá)室溫后底表面發(fā)現(xiàn)有淡黃色的產(chǎn)物生成。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN304;TB383.1

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6 黃義;史艷梅;張z齜

本文編號(hào)：2632503