本文選題：低維納米材料 + 納米塔　； 參考：《武漢大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：低維度納米材料一方面繼承了相應(yīng)宏觀材料的物理化學(xué)性質(zhì),另一方面,在尺寸進(jìn)入到納米量級后,由于晶體的周期性邊界條件以及能帶結(jié)構(gòu)對尺寸的依賴性均被破壞,并且表面原子占總原子數(shù)的比例也將有很大程度的提高,直接增加了材料表面能以及表面活性,低維納米材料因而表現(xiàn)出獨(dú)有的、且更優(yōu)于其對應(yīng)宏觀材料的一系列新奇性質(zhì)。利用這些性質(zhì)制造出的器件也易于獲得更好的性能。基于此,低維度納米材料的生長與應(yīng)用在近年來獲得廣泛研究熱情,取得飛速發(fā)展,并獲得了非常多的研究成果。GaN材料也因?yàn)樽陨淼母鞣N優(yōu)秀性質(zhì)而成為近年的研究焦點(diǎn)之一。GaN基一維納米材料被認(rèn)為在光電子、微電子等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。但目前看來,GaN一維納米材料的生長規(guī)律、生長機(jī)制以及所具備的性質(zhì)等還沒有完全被人們所掌握。并且,基于GaN一維納米材料的半導(dǎo)體器件仍處于研究階段,距離制造出成熟的商業(yè)產(chǎn)品還有很多工作需要進(jìn)一步完善。同時(shí),雖然基于GaN二維納米材料的器件,比如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等已經(jīng)成功獲得商用,但在高In含量下材料的晶體質(zhì)量降低、器件內(nèi)量子效率低、以及高In組分的InGaN納米薄膜難以獲得等問題仍然需要進(jìn)一步研究與解決�；谶@些問題,本論文主要對一維GaN納米材料的生長與性質(zhì),和基于GaN一維、二維納米材料的器件制備與性質(zhì)進(jìn)行研究,獲得了一些有意義的結(jié)論：1.以Au為催化劑,利用CVD方法制備了具有特殊形貌的GaN納米塔。GaN納米塔由具有不同形貌的兩部分組成：一部分是位于納米塔中心的納米線,另一部分是圍繞中心納米線、層層堆疊形成塔狀形貌的微晶層。底部微晶層的直徑大于位于上方的微晶層直徑。GaN納米塔沿[0001]方向生長。并且,納米塔外圍的微晶層由晶面和晶面閉合形成。晶面面積大于面。隨后研究了GaN納米塔的場發(fā)射性質(zhì)。結(jié)果表明,GaN納米塔的場發(fā)射遵循Fowler-Nordheim (FN)理論。由于具有尖銳的頂端、層層分布的有規(guī)律側(cè)壁、準(zhǔn)直立生長方式、以及較好的間隔分布,GaN納米塔表現(xiàn)出優(yōu)秀的場發(fā)射性質(zhì)。具體來說,GaN納米塔具有2.44V/μm的開啟場強(qiáng),其場增強(qiáng)因子β=2487,優(yōu)于GaN其它形貌的納米材料。GaN納米塔生長機(jī)制能被總結(jié)為：金催化劑薄層首先在高溫下退火形成金納米顆粒。GaN納米線由VLS機(jī)制從金催化劑顆粒中生長出來。當(dāng)長度長于一定程度后,基于VS機(jī)制的側(cè)向生長開始起作用,側(cè)壁出現(xiàn)微晶層。由于Ga在GaN晶面的能量比在晶面更低,導(dǎo)致Ga原子更傾向于停留在面。面獲得優(yōu)先生長,因而微晶層的面面積大于面面積,從而形成該特殊形貌。2.通過研究不同生長條件對GaN一維納米材料的形貌與結(jié)構(gòu)的影響,探討了具備各種不同形貌的一維納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)制。生長時(shí)間對GaN一維納米材料的影響：GaN一維納米材料生長初期主要以VLS生長機(jī)制進(jìn)行軸向生長。隨著生長時(shí)間延長,其軸向生長逐漸趨緩,側(cè)向生長逐漸加速。同時(shí)將在側(cè)壁的缺陷周圍形成晶核促使側(cè)面長出GaN多晶,納米材料表面變得粗糙。晶體質(zhì)量也下降。當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步延長,頂端催化劑顆粒也可能被多晶包裹,此時(shí)VLS機(jī)制失效,納米材料只遵循VS機(jī)制進(jìn)行生長。金屬Ga源表面在生長過程中將逐漸形GaN薄層導(dǎo)致Ga的揮發(fā)逐漸減小,最后停止。故當(dāng)生長進(jìn)行一段時(shí)間后,GaN一維納米材料停止生長。生長溫度的影響：較低溫度下納米材料主要以VLS生長機(jī)制進(jìn)行軸向生長。隨著溫度增加,VS生長機(jī)制逐漸占據(jù)主要地位,側(cè)向生長速率增加。超過1050℃后,將造成GaN納米材料分解。另外,在一定溫度范圍內(nèi)均能長出高晶體質(zhì)量的GaN材料。反應(yīng)氣流的影響：N氣源對GaN一維納米材料形貌的影響較小。Ga氣源則影響較大。富Ga條件下,易長出表面光滑,直徑均勻的納米線。貧Ga條件下,納米材料側(cè)向生長明顯。不同程度貧Ga條件下,側(cè)壁生長的出的微晶形貌不同。在本實(shí)驗(yàn)中我們得到了GaN納米塔,塔狀納米線以及三角堆疊的納米線。3.以GaN納米線作為有源區(qū),以Ag納米線作為透明頂端電極,以A1膜作為底端電極,制出了全納米線結(jié)構(gòu)的紫外探測器,并研究了探測器的相關(guān)光電性質(zhì)。該探測器基于光電導(dǎo)原理工作。探測器在紫外光的照射下表現(xiàn)出正的光電響應(yīng)。在3V偏壓下,其光電流／暗電流之比在空氣中為144,在真空中達(dá)到1400以上。探測器光電反應(yīng)迅速,在空氣和真空中的光電流上升時(shí)間分別為0.7秒和3.27秒。探測器對波長350nm左右的紫外光有明顯的響應(yīng)。同時(shí)由于Ag納米線對波長為300nm左右的紫外光有較強(qiáng)的吸收,也造成探測器在300nm左右的響應(yīng)有一個(gè)衰減。4.設(shè)計(jì)并制備了基于兩套量子阱系列的藍(lán)光發(fā)射LED器件結(jié)構(gòu)(兩套量子阱系列基于不同成分及寬度的InGaN/GaN的多量子阱),并研究了其光學(xué)性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)在發(fā)光的InGaN/GaN多量子阱下插入另一個(gè)系列In含量較低的InGaN/GaN多量子阱作為應(yīng)力調(diào)節(jié)層,使得上方InGaN/GaN多量子阱在具有較低In組分的條件下實(shí)現(xiàn)發(fā)光峰值波長位于460nm+3nm的藍(lán)光發(fā)射。低In組分使該結(jié)構(gòu)具有高晶體質(zhì)量,緩和InGaN/GaN量子阱內(nèi)部的極化現(xiàn)象,提高了該結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率。電致發(fā)光結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)可以通過后工藝制成高效率藍(lán)光LED芯片。
[Abstract]:This paper studies the growth and properties of one - dimensional GaN nano - material and the properties of GaN - based nano - material . The growth mechanism of GaN single - dimensional nano - material has been studied by studying the effect of different growth conditions on the morphology and structure of GaN .
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ133.51;TB383.1

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本文編號：1967592