GaN纳米线的PECVD制备及其性能研究

发布时间：2020-04-02 22:20

【摘要】：第三代半导体材料氮化镓(GaN)是一种直接带隙宽禁带半导体,具有较高的电子饱和速度及载流子迁移率、高热导率、出色的击穿强度和耐高温能力、较好的抗腐蚀和抗辐射能力等优异性质。GaN纳米线作为低维半导体纳米结构,拥有独特的尺寸特征和性能优势,在纳米光电器件和高功率纳米电子器件等领域具有潜在应用价值,如紫外发光二极管,场效应晶体管,光电探测器,纳米激光器和生化传感器等。在前期研究基础上,提出了一种简单,廉价且环保的制备GaN纳米线的方法,进一步研究了纳米线的调控生长、光电性能和电催化性能,主要研究进展如下:1.利用低成本的等离子体增强化学系气相沉积系统(PECVD),以各向同性石墨为衬底,金属Ga为Ga源,不需要任何催化剂,通过Ga原子与N等离子体直接反应制备出了直径范围为90-200 nm,长度范围为4-20μm的GaN纳米线。通过对所制备的纳米线的形貌、结构和成分的表征,表明所制备的产物为多晶结构的六方纤锌矿GaN纳米线,其形貌呈现为三维金字塔岛状结构。进一步系统研究了生长温度、射频功率、生长时间、气体流量等工艺参数对所制备GaN纳米线的形貌和性能的影响。此外,通过表征分析和系列的对比试验,提出了无催化剂制备GaN纳米线的形核和生长的模型。2.采用上述方法所制备GaN纳米线,系统研究了其光致发光(PL)和场发射性能。结果表明,所制备的GaN纳米线具有良好的PL性能,纳米线的形貌结构对其PL性能产生显著的影响。所制备GaN纳米线也具有优异的场发射性能,其开启电压低至4-6 V/μm,纳米线结构形貌对其场发射性能有一定的影响,进一步研究了结构对其场发射性能的影响机制。3.将采用上述方法所制备GaN纳米线进行了电催化性能的研究。研究表明无需修饰和负载的情况下,多晶GaN纳米线即表现出优秀的电催化析氢性能,其析氢电位为280 mV,这可能源于多晶GaN纳米线结构具有丰富的缺陷与突起结构,能够在电解水的催化过程中提供大量的活性位点,有利于电解液的扩散和气体的产生与脱附。所制备具有良好的电催化性能的多晶GaN纳米线,将有望取代传统贵金属电催化材料,实现低成本高性能电催化器件。
【图文】：

示意图,纤锌矿结构,闪锌矿结构,晶体结构

图 1-1 GaN 晶体结构示意图：a) 纤锌矿结构，b) 闪锌矿结构Figure 1-1 Crystal structure of GaN, a) wurtzite，b) zinc blende表 1-1 为纤锌矿 GaN 材料的晶体结构和能带结构参数，纤锌矿 GaN 属于六角密堆积结构，P63mc 空间群，其密排面只有(0001)，，每个晶胞中有 12 个原子，其中包括 6 个 Ga 原子和 6 个 N 原子，其面内和轴向的晶格常数分别为 a=0.3189nm，c=0.5185nm。闪锌矿结构 GaN 属于立方密排堆积结构，只有在一定的条件下才能存在。迄今为止，大多数科学研究中所使用的 GaN 材料均为纤锌矿结构的 GaN，这种结构更稳定也更具有代表性。因此本文中如果没有特殊说明，则所介绍的 GaN 材料均为纤锌矿结构。表 1-1 GaN 材料的晶体结构和能带结构参数[3]Table 1-1 Basic parameters of crystal structure and band structure of GaN material[3]参数 GaN晶格常数 a/nm 0.3189

示意图,生长机制,示意图,形核

图 1-4 VLS 生长机制示意图Figure 1-4 Schematic diagram of VLS growth mechanism气-固(Vapor-Solid，VS)机制也称蒸发-冷凝过程，其驱动力是再结晶或度减小所引起的吉布斯自由能的减小。VS 机制的具体形核和生长过程繁多，不尽相同，从热力学角度分析，大致可以分为以下三种：1) 缺陷诱导形核和生长。位错、孪晶界等缺陷可以降低成核势垒能，诱导一维纳米材料的形核和生1]其中由 Burton，Cabrera 和 Frank[32]等人提出的一种螺位错作为连续源的理论较为经典，被称为 BCF 理论。MatthewJ[33]等人采用 BCF 理论解线的生长和扭折，如图 1-5 所示，在暴露缺陷的晶面上始终存在一个台形核点，生长过程中气体分子选择表面能高的扭折处沉积，以降低其表面导致一维纳米材料的生长。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TB383.1

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