Ⅲ族氮化物纳米结构的制备、掺杂改性及光学性能研究

发布时间：2017-05-05 15:07

  本文关键词：Ⅲ族氮化物纳米结构的制备、掺杂改性及光学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：以氮化铝(AlN)为代表的Ⅲ族氮化物材料,具有直接宽禁带,高的击穿场强,高热导率,高电子饱和速率以及抗辐射能力,物理和化学性质稳定,在光电子、微电子领域有良好的应用潜力。AIN、GaN和InN可以形成带隙可调的多元合金,实现波长覆盖深紫外到近红外波段的光电子器件,因此在发光二极管(LED)、激光二极管(LD)以及(深)紫外光电探测器(PD)等研究领域备受关注。但Ⅲ族氮化物具有制备难度较大、掺杂效率不高等一系列困难,制约了其光电器件的发展。在纳米科学飞速发展的大背景下,Ⅲ族氮化物低维纳米材料有望从结构上实现材料性能的改善,Ⅲ族氮化物纳米材料的制备、掺杂改性和性能研究等基础性工作具有十分重要的意义。本论文的研究工作围绕AlN基Ⅲ族氮化物纳米结构的可控制备和掺杂改性展开,重点在于调控材料成分、结构和形貌,以及研究它们对产物的光学或磁学性能的影响。主要工作内容和结论如下：(1)采用了简便的的热化学气相沉积(CVD)法,在没有任何模板及催化剂辅助的情况下,可控制备了一系列形貌清晰规则的AlN纳米结构阵列。AlN纳米结构的生长行为遵循VS生长机理,可以分为形核、晶核规则化排布和取向生长三个过程,其中形核排布的密度决定了产物最终形貌。通过进一步的实验分析,发现温度、氨气流量是影响AlN纳米结构生长过程的关键性实验参数。室温光致发光测试表明AlN纳米管样品具有良好的紫外发光性能。(2)制备了Mn掺杂AlN六方复杂纳米迷宫结构,样品具有很好发光性能,表现出了两个位于500 nm和600 nm的发光峰,分别来源于VAl3--3×ON+复杂缺陷和Mn离子的特征发射,4T1-6A1；实验温度和Mn掺杂量直接影响纳米结构形貌和发光性能。样品的室温铁磁性强弱依赖于Mn含量。(3)制备了纯AlN和Mg掺杂AlN六方纳米棒阵列样品,通过对比分析确认了Mg掺杂在的生长和紫外发光性能中发挥的重要作用。Mg掺杂不仅提高吸附原子的表面扩散使得AlN纳米结构的生长速度变快,还增加了样品中氮空位的比例从而影响了产物的紫外发光性能。(4)Co掺杂AlN纳米结构系列样品的形貌、性能都表现出了明显的温度依赖性。较高的生长温度不仅有利于Co的掺入,还可以提高AlN纳米结构的生长速度。所有的样品显示出了两个来源于VN和O杂质的发光带,和很强的室温铁磁性。(5)对高Al组分AlGaN纳米材料的简便、可控制备方法进行了初步探索。设计利用Ga对AlN进行掺杂制备了AlGaN纳米材料,通过对实验参数如温度、NH3流量的讨论,得到了具有良好结晶性和光致发光性能的AlGaN六方纳米结构的优化生长参数。(6)基于VLS生长机理,利用金催化剂在500℃下制备了两种形貌的InN纳米线：边界光滑的纳米线和竹节状纳米线。光滑纳米线的生长方向为1120,而竹节状纳米线的生长方向为0001,两种纳米线生长方向的不同受控于两种晶面的能量竞争。
【关键词】：Ⅲ族氮化物纳米结构 可控制备 掺杂 光致发光性能 磁学性能
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-37
• 1.1 Ⅲ族氮化物的研究背景11-16
• 1.1.1 Ⅲ族氮化物的基本结构和性质12-13
• 1.1.2 Ⅲ族氮化物在紫外光电子领域的应用13-15
• 1.1.3 Ⅲ族氮化物紫外光电子器件的研究现状15-16
• 1.2 Ⅲ族氮化物纳米材料的独特魅力16-26
• 1.2.1 Ⅲ族氮化物纳米材料的制备方法16-19
• 1.2.2 Ⅲ族氮化物纳米结构的生长机理研究19-22
• 1.2.3 各种形貌的Ⅲ族氮化物纳米材料/结构22-25
• 1.2.4 Ⅲ族氮化物纳米结构在紫外光电器件中的应用优势25-26
• 1.3 掺杂AlN纳米材料的研究背景26-28
• 1.4 选题依据与研究内容28-30
• 参考文献30-37
• 第二章 AlN六方纳米结构阵列的制备及实验参数的优化探索37-53
• 2.1 前言37-38
• 2.2 实验装置和流程介绍38-39
• 2.3 产物表征设备39
• 2.4 AlN六方纳米管阵列的结构与形貌39-41
• 2.5 AlN六方纳米管阵列的生长行为分析41-42
• 2.6 AlN六方纳米结构实验参数的进一步调控42-47
• 2.6.1 实验温度的影响43-44
• 2.6.2 NH_3流量的影响44
• 2.6.3 生长时间的影响44-46
• 2.6.4 衬底材料的影响46-47
• 2.7 多种形貌新颖、排列规则的六方纳米结构阵列的可控生长47-48
• 2.8 AlN纳米管阵列的发光性能探索48
• 2.9 本章小结48-50
• 参考文献50-53
• 第三章 Mn掺杂AlN六方复杂纳米迷宫结构的制备及性能研究53-69
• 3.1 前言53
• 3.2 实验装置及流程53-54
• 3.3 产物表征设备54
• 3.4 结果与讨论54-57
• 3.4.1 Mn掺杂AlN六方复杂纳米迷宫阵列的结构分析54-55
• 3.4.2 表面形貌分析55-56
• 3.4.3 光致发光性能分析56-57
• 3.5 掺杂温度和Mn掺杂源质量对Mn掺杂AlN纳米结构形貌和性能的影响57-64
• 3.5.1 掺杂温度的影响58-60
• 3.5.2 Mn掺杂源质量的影响60-64
• 3.6 Mn掺杂AlN纳米结构的磁性研究64
• 3.7 本章小节64-66
• 参考文献66-69
• 第四章 Mg掺杂AlN六方纳米棒阵列的制备及紫外发光性能研究69-81
• 4.1 前言69
• 4.2 实验装置及流程69-70
• 4.3 产物表征设备70
• 4.4 结果与讨论70-77
• 4.4.1 Mg掺杂AlN六方纳米棒的结构表征70-73
• 4.4.2 形貌表征73-75
• 4.4.3 光致发光性能研究75-77
• 4.5 Mg掺杂量影响作用的进一步验证讨论77-78
• 4.6 本章小节78-79
• 参考文献79-81
• 第五章 Co掺杂AlN六方纳米结构的制备及性能研究81-91
• 5.1 前言81
• 5.2 实验装置及流程81
• 5.3 产物表征设备81-82
• 5.4 结果与讨论82-88
• 5.4.1 Co掺杂AlN六方纳米结构系列样品的结构分析82-84
• 5.4.2 表面形貌分析84-85
• 5.4.3 发光性能研究85-86
• 5.4.4 磁学性能研究86-88
• 5.5 本章小结88-89
• 参考文献89-91
• 第六章 利用Ga掺杂AlN制备AlGaN纳米材料的探索性研究91-107
• 6.1 前言91
• 6.2 实验装置及流程91-92
• 6.3 产物表征设备92
• 6.4 GaCl_3作为Ga源制备GaN和AlGaN纳米材料92-96
• 6.5 金属Ga作为Ga源制备GaN和AlGaN纳米材料96-100
• 6.6 AlGaN材料的光学带隙的研究100-102
• 6.7 本章小节102-103
• 参考文献103-107
• 第七章 金催化InN纳米线的制备及光学性质研究107-119
• 7.1 前言107
• 7.2 实验装置及流程107-108
• 7.3 产物表征设备108
• 7.4 结果与讨论108-114
• 7.4.1 样品的结构与形貌表征108-113
• 7.4.2 InN纳米线的生长行为分析113-114
• 7.5 InN纳米线的光学性能研究114-115
• 7.6 本章小节115-117
• 参考文献117-119
• 第八章 总结与展望119-123
• 在学期间的研究成果123-125
• 致谢125

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 董少光;李炳乾;;影响InN材料带隙的几个关键问题[J];材料导报;2009年15期

2 ;Synthesis,Growth Mechanism,and Applications of Zinc Oxide Nanomaterials[J];Journal of Materials Science & Technology;2008年04期

3 陈薛刚;占光;;紫外光通信的军事应用研究[J];国防科技;2010年03期

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本文编号：346566