二维GaN基材料CVD制备与理论研究

发布时间：2020-04-18 20:29

【摘要】：二维纳米材料是一种结构为片状的新型纳米材料,水平尺寸大于100纳米,但厚度只有单个或几个原子厚。2004年二维单层材料因为石墨烯的发现正式宣布进入纳米材料的尖端领域。由于这些二维材料具有层状晶体结构,极端的量子限制效应导致独特的物理、化学性质,因此在电子、光电子、光催化各个领域都具有潜在的应用前景。作为Ⅲ族氮化物代表的GaN由于其优异的特性已成为二维材料研究的热点,其二维结构是制备新一代激光、电子器件和传感器的关键半导体材料。因此本文将围绕二维的GaN基材料展开实验和理论两部分研究。首先,利用CVD法使用液态镓作为金属催化基底在W衬底上制备二维GaN纳米材料。探索其生长原理,通过比较分析生长温度、氨气流量以及反应时间三种生长工艺参数对样品微观形貌的影响,对样品进行测试分析。测试结果表明所制备的样品为二维GaN纳米材料,是六方纤锌矿结构,且样品缺陷密度较小,结晶性较好。之后,基于第一性原理研究了平面和屈曲结构的二维单层GaN,以及在不同Al掺杂浓度下(12.5%、50%、75%、100%)两种结构的电子及光学性质。结果表明平面结构的二维单层GaN是间接带隙半导体(2.00eV),其屈曲结构为直接带隙半导体(3.16eV)。随着Al掺杂浓度的增加,平面结构的带隙随之增大;屈曲结构的二维单层GaN在掺杂浓度为50%时,由直接带隙变为间接带隙,且带隙值发生下降。因此可通过AlxGa1-xN合金来调控二维GaN带隙。光学性质研究发现,Al掺杂使二维GaN吸收强度发生明显变化,这为调控二维GaN光学性质提供了依据。另外二维GaN在紫外-深紫外范围内发射,因此在紫外光探测器领域以及杀菌净水工艺均有潜在的应用前景。
【图文】：

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生长示意图如图2-1 所示。首先，，我们在钨衬底表面铺一层均匀的液态镓作为液态基底催化剂。采用液态金属作为基底催化剂，主要是由于其表面并不存在晶界，流动性强，而且非常均匀，优于固态基底催化剂[71]。GaN 二维纳米材料生长遵循表面反应生长机制，液态镓既作为基底催化剂同时也是 Ga 源，NH3做为反应源前驱体，最终合成二维 GaN 纳米材料。具体步骤如下：图 2-1 二维 GaN 纳米材料生长示意图[71,72]Fig. 2-1 Schematic diagram of 2D GaN nanometerial growth[71,72]2.1.1 衬底的预处理与三维块体材料相比，二维纳米材料一般都会选择在衬底上生长。而金属衬底由于其与二维材料具有较强的相互作用，一般二维材料会选在金属衬底上合成[73]。钨的熔点为3410 ℃，具有耐高温、稳定、常温下不受空气侵蚀等优点，相对于其他昂贵的金属箔，钨的价格适中，可节约成本。此外，钨衬底与我们所使用的液态基底液态镓浸润性良好，易在钨衬底上展开，因此我们实验选用钨作为衬底。在本文实验中，W 衬底的处理包括W 片的切割、清洗以及在 W 片表面铺展液态金属催化剂 Ga 三个步骤。a. 衬底切割使用剪刀或金刚石笔将钨箔切割成规格为 10mm×10mm，厚度为 0.05mm 的正方形钨片。b. 衬底清洁(1) 把钨箔放入 6ml 的乙醇溶液中

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图 2-2 液态金属 Ga 基底催化剂表征Fig. 2-2 Characterization of Liquid Metal Ga Substrate CatalysaN 纳米材料如图 3-3 所示。考虑到选取的液态基底催化剂为 Ga供 Ga 源，使用电子天平称取 1mg 的金属 Ga 并均匀上，将处理好的 W-Ga 基底放置于石英舟中间，再央，氨气提供氮源，在规格为 0.05mm×10mm×10maN 纳米材料。具体实验操作过程为：通入 Ar 气排除以保持炉管中的稳定惰性环境以防 W-Ga 基底被高至 980℃时开始时通入 60sccm 的氨气流量开始 G长完成后关闭氨气流量控制器，待温度降低至 750℃剧降导致的纳米材料断裂。最后待温度到达室温后底表面发现有淡黄色的产物生成。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TB383.1

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