專利名稱：一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法，屬無機(jī)化合物的制取與生長方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化鎵是一種III-V族無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.4eV，激子束縛能為20meV，具有優(yōu)良的材料力學(xué)性能、機(jī)械性能、高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、耐酸堿等特性，被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料，是制作藍(lán)、綠發(fā)光二極管、激光二極管、紫外探測器和光電器件的理想材料，其一維結(jié)構(gòu)在高電子遷移率納米電子器件、全色平板顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
氮化鎵納米線的制取、生長方法分為兩種形式，即物理法和化學(xué)法，其中，物理法包括升華法、激光燒蝕法、激光沉積法、蒸發(fā)冷凝法、電弧放電法，化學(xué)法包括直接反應(yīng)法、化學(xué)氣相沉積法、熱絲化學(xué)氣相沉積法、溶液反應(yīng)法、電化學(xué)法、聚合法、模板法等等；這些制備方法，雖然都能制取和生成氮化鎵納米線，但也存在著很多不足，有的制備周期長，能源浪費(fèi)大，污染嚴(yán)重；有的產(chǎn)收率低，產(chǎn)物純度低；有的依靠模板的限制作用，生長工藝對(duì)設(shè)備的依賴性強(qiáng)，生長工藝難以實(shí)現(xiàn)；有的制備生成的產(chǎn)物化學(xué)、物理、光學(xué)性能不夠穩(wěn)定，不利于產(chǎn)物的廣泛應(yīng)用；有的制備生長方法工藝流程銜接的不夠嚴(yán)密，配比不合理，使產(chǎn)物的形貌不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的就是針對(duì)背景技術(shù)的不足，采用一種全新的化學(xué)氣相沉積法和制取參數(shù)，以氧化鎵為原料，以氧化銦為催化劑，以氨氣為反應(yīng)氣體，以氬氣為保護(hù)氣體，以無水乙醇為混合劑，以單晶硅片為生長載體即基板襯底，以丙酮、無水乙醇、去離子水為單晶硅片清洗劑，采用研磨、過篩、超聲分散混合原料細(xì)粉、超聲清洗基板襯底、勻膠機(jī)甩涂混合懸濁液、真空狀態(tài)下氬氣保護(hù)、高溫氨化、生長，以制取形貌均勻、白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線，以簡化制備工藝、提高產(chǎn)物的產(chǎn)收率和純度。
技術(shù)方案本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)為氧化鎵、氧化銦、丙酮、無水乙醇、氨氣、氬氣、去離子水其組合配比是以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位氧化鎵Ga2O30.5克±0.0005克氧化銦In2O30.2克±0.0005克丙酮CH3COCH35毫升±0.5毫升無水乙醇CH3CH2OH 15毫升±0.5毫升氨氣NH32400厘米3±10厘米3氬氣Ar 1000厘米3±5厘米3去離子水H2O 10毫升±1毫升本發(fā)明的制取生長方法如下1)精選化學(xué)物質(zhì)對(duì)配比所需的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行精選，并進(jìn)行純度控制氧化鎵99.99％氧化銦99％丙酮 99.5％無水乙醇 99.7％氨氣 99.999％氬氣 99.999％去離子水 99％2)研磨、過篩對(duì)配比所需的化學(xué)物質(zhì)原料氧化鎵、催化劑氧化銦要分別用瑪瑙研缽、研磨棒進(jìn)行研磨，然后過篩，篩網(wǎng)目數(shù)為400目，研磨、過篩反復(fù)進(jìn)行，使原料成微粉，粉粒平均粒徑為0.0185mm；3)超聲清洗襯底基板單晶硅片(10mm×10mm×1mm)
對(duì)置放氧化鎵、氧化銦的單晶硅片要用超聲清洗器進(jìn)行清洗，先用丙酮5毫升±0.5毫升在清洗器中清洗30分鐘±1分鐘，然后將單晶硅片取出，用無水乙醇5毫升±0.5毫升進(jìn)行二次清洗30分鐘±1分鐘，最后用去離子水10毫升±1毫升對(duì)單晶硅片進(jìn)行三次清洗30分鐘±1分鐘；4)真空干燥處理將清洗后的單晶硅片置于真空烘干箱中，進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為60分鐘±2分鐘；5)超聲分散混合稱取氧化鎵0.2克±0.0005克，置于燒杯中，向燒杯中加入無水乙醇5毫升±0.5毫升，將燒杯置于數(shù)控超聲清洗器中，超聲分散混合30分鐘±1分鐘，使其成均勻的氧化鎵無水乙醇懸濁液；稱取氧化銦0.2克±0.0005克，置于燒杯中，向燒杯中加入無水乙醇5毫升±0.5毫升，將燒杯置于數(shù)控超聲清洗器中，超聲分散混合30分鐘±1分鐘，使其成均勻的氧化銦無水乙醇懸濁液；6)涂覆氧化鎵無水乙醇懸濁液將氧化鎵無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)均勻的甩涂在潔凈的單晶硅片上，勻膠機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊甩涂，使其涂覆均勻，使懸濁液在單晶硅片上形成一層白色薄膜；7)干燥處理單晶硅片上的白色薄膜隨同單晶硅片一起置于真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為20分鐘±2分鐘；8)涂覆氧化銦無水乙醇懸濁液將氧化銦無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)均勻地甩涂在單晶硅片已形成的白色薄膜上，再形成一層淡黃色薄膜；9)干燥處理單晶硅片上的淡黃色薄膜隨同單晶硅片一起置于真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為20分鐘±2分鐘。
10)高溫氨化反應(yīng)將干燥后的單晶硅片及其上的白色薄膜和淡黃色薄膜一起置于石英產(chǎn)物舟中，在產(chǎn)物舟中沿氨氣輸入方向距離單晶硅片5mm±0.5mm處置放氧化鎵微粉0.3克±0.0005克；然后，打開管式高溫爐，將石英產(chǎn)物舟及反應(yīng)物一起置于管式高溫爐中的高溫區(qū)，然后將氬氣輸入管、氨氣輸入管、抽氣管、真空泵接入管式高溫爐，要嚴(yán)格密封、防止漏氣；管式高溫爐抽真空開啟真空泵，將管式高溫爐中的空氣抽出，使管式高溫爐處于真空狀態(tài)，真空度保持在0.08Mpa，并連續(xù)抽真空；開啟管式高溫爐，使其從常溫20℃±3℃升溫至1000℃±5℃，升溫速度為8℃/分鐘，升溫時(shí)間為122分鐘±2分鐘，恒溫保溫時(shí)間為45分鐘±2分鐘；輸入保護(hù)氣體氬氣Ar打開氬氣瓶開關(guān)、氣體流量顯示儀、氬氣輸入管，向管式高溫爐輸入惰性保護(hù)氣體氬氣1000厘米3±5厘米3，輸入速度為200厘米3/分鐘，輸入時(shí)間為5分鐘±0.5分鐘；輸入反應(yīng)氣體氨氣NH3、進(jìn)行氨化反應(yīng)、產(chǎn)物生長關(guān)閉氬氣輸入開關(guān)，開啟氨氣輸入開關(guān)并進(jìn)行流量控制，向管式高溫爐輸入氨氣2400厘米3±10厘米3，輸入速度為60厘米3/分鐘，輸入時(shí)間為40分鐘±2分鐘，使氧化鎵和氨氣充分反應(yīng)，反應(yīng)式如下
式中H2——?dú)錃庠诎被磻?yīng)過程中，在1000℃±5℃時(shí)，氨氣NH3逐漸分解，可知?dú)錃釮2存在于氨化反應(yīng)系統(tǒng)中，在催化劑氧化銦In2O3的作用下，氫氣H2將氧化鎵Ga2O3還原為氧化亞鎵Ga2O氣體，氣相的氧化亞鎵Ga2O與氨氣NH3反應(yīng)生成氮化鎵GaN分子，沉積在單晶硅片基板表面，形成氮化鎵GaN晶核，氮化鎵晶核按氣態(tài)-固態(tài)機(jī)理繼續(xù)生長，最終生長為平直光滑的氮化鎵GaN納米線；在1000℃±5℃下，在氧化鎵與反應(yīng)氣體氨氣的反應(yīng)過程中，單晶硅片上的淡黃色薄膜變成了白色薄膜，即反應(yīng)生成了白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線；11)冷卻將真空泵和管式高溫爐同時(shí)關(guān)閉，使石英產(chǎn)物舟及產(chǎn)物隨爐冷卻至常溫20℃±3℃，冷卻速度為5℃/分鐘，冷卻時(shí)間為196分鐘±5分鐘；
12)收集產(chǎn)物冷卻后，將石英產(chǎn)物舟及產(chǎn)物從管式高溫爐中取出，將單晶硅片上的產(chǎn)物收集于無色透明的玻璃瓶中，密閉保存；13)檢測、分析、對(duì)比對(duì)制取、生長的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、純度、線形長度、直徑、化學(xué)、物理、光學(xué)性能進(jìn)行檢測分析、對(duì)比，用X射線衍射儀進(jìn)行氮化鎵結(jié)構(gòu)分析，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行氮化鎵納米線形貌分析，用化學(xué)分析儀進(jìn)行產(chǎn)收率分析，用電子分散能譜進(jìn)行純度分析；14)儲(chǔ)存對(duì)制取、生長的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線產(chǎn)物，置于無色透明的玻璃容器中，在干燥潔凈的環(huán)境中密閉儲(chǔ)存，儲(chǔ)存溫度為20℃±3℃，要嚴(yán)格防水、防潮、防曬、防酸堿侵蝕。
所述的氮化鎵納米線的制取是以氧化鎵Ga2O3為原料，以氧化銦In2O3為催化劑，以氨氣NH3為反應(yīng)氣體，以惰性氣體氬氣Ar為保護(hù)氣體，以單晶硅片為襯底基板，以無水乙醇CH3CH2OH為混合劑，以丙酮CH3COCH3、無水乙醇CH3CH2OH、去離子水H2O為基板單晶硅片清洗劑。
所述的氮化鎵納米線的制取、生長是在管式高溫爐中進(jìn)行的，高溫氨化反應(yīng)、生長溫度為1000℃±5℃，從常溫20℃±3℃開始升溫，升溫速度為8℃/分鐘，升溫時(shí)間122分鐘±2分鐘，恒溫保溫時(shí)間為45分鐘±2分鐘；輸入保護(hù)氣體氬氣時(shí)間為5分鐘±0.5分鐘，輸入保護(hù)氣體氬氣量為1000厘米3±5厘米3，輸入速度為200厘米3/分鐘；輸入反應(yīng)氣體氨氣時(shí)間為40分鐘±2分鐘，輸入氨氣量為2400厘米3±10厘米3，輸入速度為60厘米3/分鐘；管式高溫爐內(nèi)真空度保持在0.08MPa。
效果本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，它是以氧化鎵Ga2O3為原料，以氧化銦In2O3為催化劑，以氨氣NH3為反應(yīng)氣體，以惰性氣體氬氣Ar為保護(hù)氣體，以單晶硅片為襯底基板，以無水乙醇CH3CH2OH為混合劑，以丙酮CH3COCH3、無水乙醇CH3CH2OH、去離子水H2O為基板單晶硅片清洗劑，采用了合理的化學(xué)物質(zhì)配比，精選并進(jìn)行了純度控制，催化劑、反應(yīng)氣體、保護(hù)氣體、混合劑、清洗劑的優(yōu)化使用，通過原料研磨、過篩、超聲清洗基板、超聲分散混合原料、催化劑、勻膠機(jī)甩涂無水乙醇懸濁液、干燥處理、抽真空、氬氣保護(hù)、氨氣輸入、高溫氨化反應(yīng)、冷卻、檢測分析對(duì)比，最終得到高純度的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線，產(chǎn)物形貌排列均勻，呈線形，直徑為50nm-70nm，單根線形平均長度可達(dá)90μm，化學(xué)、光學(xué)、物理性能穩(wěn)定，該制取、生長方法使用設(shè)備少，工藝流程短，產(chǎn)收率高，可達(dá)95％，純度好，可達(dá)98％，是十分理想的制取白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線的方法。


圖1為氮化鎵納米線制取工藝流程2為氨化溫度、恒溫保溫、冷卻時(shí)間坐標(biāo)關(guān)系3為抽真空、氣體保護(hù)、反應(yīng)氣體、氨化反應(yīng)生長狀態(tài)4為產(chǎn)物X射線衍射強(qiáng)度坐標(biāo)關(guān)系5為產(chǎn)物薄膜場發(fā)射掃描電鏡放大850倍成像6為產(chǎn)物薄膜場發(fā)射掃描電鏡放大5000倍成像7為產(chǎn)物場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍產(chǎn)物形貌8為產(chǎn)物線形相鄰晶面間距中所示，件號(hào)清單如下1、管式高溫爐，2、高溫區(qū)，3、石英產(chǎn)物舟，4、單晶硅基板，5、爐座，6、真空泵，7、氧化鎵無水乙醇薄膜層，8、氧化銦無水乙醇薄膜層，9、氬氣輸入管，10、氨氣輸入管，11、氧化鎵粉體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1所示，是氮化鎵納米線工藝流程圖，制取生成氮化鎵納米線要嚴(yán)格按工藝流程圖進(jìn)行，各制備參數(shù)要嚴(yán)格控制，按序操作。
對(duì)制備所需的化學(xué)物質(zhì)材料氧化鎵、氧化銦、氨氣、氬氣、丙酮、無水乙醇、去離子水要嚴(yán)格精選，并進(jìn)行純度控制，不能有雜質(zhì)介入，防止生成副產(chǎn)物。
對(duì)所需的化學(xué)物質(zhì)要嚴(yán)格按照配比稱量控制，氣體要控制好存儲(chǔ)、輸送速度和量值，不得超過最大最小范圍，以免影響產(chǎn)出量。
單晶硅基板的清洗，先用丙酮，后用無水乙醇，最后用去離子水清洗，并用超聲清洗器進(jìn)行清洗，清洗后要在真空干燥箱中干燥。
原料氧化鎵、催化劑氧化銦先用瑪瑙研缽和瑪瑙研磨棒分別反復(fù)研磨、過篩，用超聲清洗器進(jìn)行氧化鎵、氧化銦與無水乙醇的混合，使其分別成懸濁液狀態(tài)，然后用勻膠機(jī)分別將其甩涂在單晶硅基板襯底上，甩涂時(shí)，要先甩涂氧化鎵無水乙醇懸濁液，真空干燥后，再甩涂氧化銦無水乙醇懸濁液，并用真空干燥箱將其干燥。
單晶硅基板為10mm×10mm×1mm的方形板，是產(chǎn)物薄膜的襯底附著載體，要保持潔凈，氨化反應(yīng)前要置于石英產(chǎn)物舟中，并在石英產(chǎn)物舟中與單晶硅基板相距5mm處放置0.3克氧化鎵，以提供更充足的鎵源，然后將產(chǎn)物舟與單晶硅基板及0.3克的氧化鎵置于管式高溫爐的高溫區(qū)。
催化劑氧化銦顆粒的大小對(duì)納米線的生長、直徑起著至關(guān)重要的作用，故一定要嚴(yán)格研磨、過篩，使其平均粒徑控制在0.0185mm，粒徑越小越好。
保護(hù)氣體氬氣在輸送過程中可使管式高溫爐處于惰性氣體的保護(hù)氣氛，又有清除其他有害氣體的作用。
氨化反應(yīng)氣體氨氣要保持一定的輸入速度，過低會(huì)造成產(chǎn)收率下降，甚至使產(chǎn)物不能生長，故一定要嚴(yán)格控制氨氣的輸入速度和氨氣量的充足，在氨化反應(yīng)和真空泵開啟狀態(tài)下，氨氣量會(huì)有微量損失，但不會(huì)影響氨化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)能夠提高氨化反應(yīng)的安全系數(shù)。
管式高溫爐是氨化反應(yīng)和生長的爐體，要嚴(yán)格密封，不得漏氣，否則將直接影響產(chǎn)物生長和整個(gè)反應(yīng)過程。
對(duì)制取所需的設(shè)備瑪瑙研缽、瑪瑙研磨棒、清洗容器、混和容器、真空干燥箱、超聲清洗器、勻膠機(jī)、單晶硅片、管式高溫爐、產(chǎn)物舟、產(chǎn)物瓶、真空泵、氬氣管、氨氣管、檢測儀器等，要保持潔凈，不能有污染。
在制備、生長氮化鎵納米線的過程中，由于原料、催化劑研磨、過篩、分散混合懸濁、超聲清洗、勻膠機(jī)甩涂、干燥處理、高溫氨化、產(chǎn)物生長、保護(hù)氣體氬氣輸入、反應(yīng)氣體氨氣輸入、抽真空、氨化化合反應(yīng)、檢測分析，也會(huì)使制取生成的氮化鎵納米線的形貌發(fā)生微量的變化，但不影響氮化鎵納米線的化學(xué)、物理、光學(xué)性能，不影響其在應(yīng)用領(lǐng)域的使用。
制取氮化鎵納米線的化學(xué)物質(zhì)配比是在一個(gè)預(yù)先設(shè)置的數(shù)值范圍內(nèi)確定的，以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位，在進(jìn)行工業(yè)化制取時(shí)，以千克、升、米3為計(jì)量單位。
圖2所示，是管式高溫爐升溫、恒溫保溫、冷卻坐標(biāo)關(guān)系圖，當(dāng)管式高溫爐由常溫20℃±3℃升至1000℃±5℃時(shí)，相交于A點(diǎn)，升溫速度為8℃/分鐘，升溫時(shí)間為122分鐘±2分鐘，并恒溫保溫，輸入保護(hù)氣體氬氣時(shí)間為5分鐘±0.5分鐘，即A-B區(qū)段，輸入反應(yīng)氣體氨氣及產(chǎn)物生長時(shí)間為40分鐘±2分鐘，即B-C區(qū)段，恒溫保溫后，關(guān)閉管式高溫爐，使產(chǎn)物舟及舟中產(chǎn)物隨爐冷卻，冷卻速度為5℃/分鐘，冷卻時(shí)間為196分鐘±2分鐘。
圖3所示，為高溫氨化、生長、氣體保護(hù)、氣體反應(yīng)狀態(tài)圖，爐底座5的上部為管式高溫爐1，管式高溫爐1的內(nèi)部中間為高溫區(qū)2，高溫區(qū)2內(nèi)置放石英產(chǎn)物舟3，石英產(chǎn)物舟3中置放單晶硅基板4，單晶硅基板4上層甩涂一層白色氧化鎵薄膜7，在氧化鎵薄膜7上甩涂了一層淡黃色氧化銦薄膜8，在石英產(chǎn)物舟的左側(cè)為氧化鎵粉體11，在高溫爐1的右側(cè)為真空泵6，左側(cè)為氬氣輸氣管9和氨氣輸氣管10，操作時(shí)，先用真空泵6抽真空，然后，開啟氬氣輸氣管9，最后開啟氨氣輸氣管10。
圖4所示，為產(chǎn)物X射線衍射強(qiáng)度坐標(biāo)關(guān)系圖，縱坐標(biāo)為相對(duì)強(qiáng)度指數(shù)，橫坐標(biāo)為2倍的衍射角，圖中32.38°、34.54°、36.83°、48.07°、57.76°、63.40°、69.07°、70.49°的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于氮化鎵晶體的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)、(201)晶面的衍射峰。
圖5、6所示，分別為產(chǎn)物薄膜場發(fā)射掃描電鏡放大850倍、5000倍成像圖，從圖中可以看出單晶硅基板上生長成的白色薄膜是由許多線狀物交織而成，覆蓋在單晶硅片上，圖5的長度單位為10μm，圖6的長度單位1μm。
圖7所示，為產(chǎn)物場發(fā)射掃描電鏡放大10萬倍的平直光滑線形形貌圖，可知生成的氮化鎵納米線平直光滑，其直徑在50nm-70nm，單根線形平均長度為90μm，圖中的長度單位為100nm。
圖8所示，為產(chǎn)物相鄰晶面間距排列圖，其相鄰晶面間距為0.275nm，對(duì)應(yīng)氮化鎵納米線的(100)晶面，納米線的生長方向與(100)晶面呈25°夾角，進(jìn)一步證明單晶硅基板上生成的白色產(chǎn)物為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵納米線，圖中長度單位為5nm。
實(shí)施例1各制取設(shè)備均處于準(zhǔn)工作狀態(tài)；按配比精選稱取、量取氧化鎵0.5克，氧化銦0.2克，丙酮5毫升，無水乙醇15毫升，氨氣2400厘米3，氬氣1000厘米3，去離子水10毫升；研磨、過篩分別將氧化鎵、氧化銦反復(fù)研磨、過篩成細(xì)粉，篩網(wǎng)為400目；超聲清洗單晶硅基板清洗劑為丙酮5毫升，無水乙醇5毫升，去離子水10毫升，用超聲清洗器分別超聲清洗各30分鐘；烘干在真空干燥箱中干燥60分鐘±2分鐘，烘干溫度為60℃±2℃；超聲分散混合將氧化鎵0.2克、氧化銦0.2克分別分散混合于無水乙醇各5毫升中，超聲分散各30分鐘后成氧化鎵無水乙醇懸濁液和氧化銦無水乙醇懸濁液；甩涂氧化鎵無水乙醇懸濁液將氧化鎵無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)均勻甩涂在潔凈的單晶硅片上，勻膠機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊甩涂，使其涂覆均勻，使懸濁液在單晶硅片上形成一層白色薄膜；干燥處理單晶硅片上的白色薄膜隨同單晶硅片一起置于真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為20分鐘±2分鐘；甩涂氧化銦無水乙醇懸濁液將氧化銦無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)甩涂在單晶硅片已形成的白色薄膜上，再形成一層淡黃色薄膜；干燥處理甩涂成膜完成后，將單晶硅基板連同基板上的薄膜一起放入真空干燥箱中，在60℃±2℃下干燥20分鐘±2分鐘；高溫氨化反應(yīng)生長將產(chǎn)物舟、單晶硅基板及基板上的薄膜置于管式高溫爐中，開啟真空泵抽真空，高溫爐從常溫20℃±3℃升溫至1000℃±5℃后，輸入保護(hù)氣體氬氣5分鐘±0.5分鐘，輸入速度為200厘米3/分鐘，輸入量為1000厘米3±5厘米3；關(guān)閉氬氣開關(guān)，輸入反應(yīng)氣體氨氣40分鐘±2分鐘，輸入速度為60厘米3/分鐘，恒溫保溫40分鐘±2分鐘，氨氣輸入量為2400厘米3±10厘米3，產(chǎn)物生長，氨化化合反應(yīng)，生成白色氮化鎵納米線；冷卻關(guān)閉真空泵及管式高溫爐，使產(chǎn)物舟及其產(chǎn)物隨爐冷卻至常溫20℃±3℃，冷卻速度為5℃/分鐘，冷卻時(shí)間為196分鐘；收集產(chǎn)物將白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線收集于無色透明的玻璃容器中，從而完成了制取的全過程。
權(quán)利要求
1.一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法，其特征在于本發(fā)明使用的化學(xué)物質(zhì)為氧化鎵、氧化銦、丙酮、無水乙醇、氨氣、氬氣、去離子水其組合配比是以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位氧化鎵 Ga2O30.5克±0.0005克氧化銦 In2O30.2克±0.0005克丙酮CH3COCH35毫升±0.5毫升無水乙醇CH3CH2OH 15毫升±0.5毫升氨氣NH32400厘米3±10厘米3氬氣Ar 1000厘米3±5厘米3去離子水H2O 10毫升±1毫升本發(fā)明的制取生長方法如下1)精選化學(xué)物質(zhì)對(duì)配比所需的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行精選，并進(jìn)行純度控制氧化鎵 99.99％氧化銦 99％丙酮99.5％無水乙醇99.7％氨氣99.999％氬氣99.999％去離子水99％2)研磨、過篩對(duì)配比所需的化學(xué)物質(zhì)原料氧化鎵、催化劑氧化銦要分別用瑪瑙研缽、研磨棒進(jìn)行研磨，然后過篩，篩網(wǎng)目數(shù)為400目，研磨、過篩反復(fù)進(jìn)行，使原料成微粉，粉粒平均粒徑為0.0185mm；3)超聲清洗襯底基板單晶硅片(10mm×10mm×1mm)對(duì)置放氧化鎵、氧化銦的單晶硅片要用超聲清洗器進(jìn)行清洗，先用丙酮5毫升±0.5毫升在清洗器中清洗30分鐘±1分鐘，然后將單晶硅片取出，用無水乙醇5毫升±0.5毫升進(jìn)行二次清洗30分鐘±1分鐘，最后用去離子水10毫升±1毫升對(duì)單晶硅片進(jìn)行三次清洗30分鐘±1分鐘；4)真空干燥處理將清洗后的單晶硅片置于真空烘干箱中，進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為60分鐘±2分鐘；5)超聲分散混合稱取氧化鎵0.2克±0.0005克，置于燒杯中，向燒杯中加入無水乙醇5毫升±0.5毫升，將燒杯置于數(shù)控超聲清洗器中，超聲分散混合30分鐘±1分鐘，使其成均勻的氧化鎵無水乙醇懸濁液；稱取氧化銦0.2克±0.0005克，置于燒杯中，向燒杯中加入無水乙醇5毫升±0.5毫升，將燒杯置于數(shù)控超聲清洗器中，超聲分散混合30分鐘±1分鐘，使其成均勻的氧化銦無水乙醇懸濁液；6)涂覆氧化鎵無水乙醇懸濁液將氧化鎵無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)均勻的甩涂在潔凈的單晶硅片上，勻膠機(jī)邊旋轉(zhuǎn)邊甩涂，使其涂覆均勻，使懸濁液在單晶硅片上形成一層白色薄膜；7)干燥處理單晶硅片上的白色薄膜隨同單晶硅片一起置于真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為20分鐘±2分鐘；8)涂覆氧化銦無水乙醇懸濁液將氧化銦無水乙醇懸濁液用勻膠機(jī)均勻地甩涂在單晶硅片已形成的白色薄膜上，再形成一層淡黃色薄膜；9)干燥處理單晶硅片上的淡黃色薄膜隨同單晶硅片一起置于真空烘干箱中進(jìn)行干燥處理，烘干溫度為60℃±2℃，烘干時(shí)間為20分鐘±2分鐘。10)高溫氨化反應(yīng)將干燥后的單晶硅片及其上的白色薄膜和淡黃色薄膜一起置于石英產(chǎn)物舟中，在產(chǎn)物舟中沿氨氣輸入方向距離單晶硅片5mm±0.5mm處置放氧化鎵微粉0.3克±0.0005克；然后，打開管式高溫爐，將石英產(chǎn)物舟及反應(yīng)物一起置于管式高溫爐中的高溫區(qū)，然后將氬氣輸入管、氨氣輸入管、抽氣管、真空泵接入管式高溫爐，要嚴(yán)格密封、防止漏氣；管式高溫爐抽真空開啟真空泵，將管式高溫爐中的空氣抽出，使管式高溫爐處于真空狀態(tài)，真空度保持在0.08Mpa，并連續(xù)抽真空；開啟管式高溫爐，使其從常溫20℃±3℃升溫至1000℃±5℃，升溫速度為8℃/分鐘，升溫時(shí)間為122分鐘±2分鐘，恒溫保溫時(shí)間為45分鐘±2分鐘；輸入保護(hù)氣體氬氣Ar打開氬氣瓶開關(guān)、氣體流量顯示儀、氬氣輸入管，向管式高溫爐輸入惰性保護(hù)氣體氬氣1000厘米3±5厘米3，輸入速度為200厘米3/分鐘，輸入時(shí)間為5分鐘±0.5分鐘；輸入反應(yīng)氣體氨氣NH3、進(jìn)行氨化反應(yīng)、產(chǎn)物生長關(guān)閉氬氣輸入開關(guān)，開啟氨氣輸入開關(guān)并進(jìn)行流量控制，向管式高溫爐輸入氨氣2400厘米3±10厘米3，輸入速度為60厘米3/分鐘，輸入時(shí)間為40分鐘±2分鐘，使氧化鎵和氨氣充分反應(yīng)，反應(yīng)式如下式中H2--氫氣在氨化反應(yīng)過程中，在1000℃±5℃時(shí)，氨氣NH3逐漸分解，可知?dú)錃釮2存在于氨化反應(yīng)系統(tǒng)中，在催化劑氧化銦In2O3的作用下，氫氣H2將氧化鎵Ga2O3還原為氧化亞鎵Ga2O氣體，氣相的氧化亞鎵Ga2O與氨氣NH3反應(yīng)生成氮化鎵GaN分子，沉積在單晶硅片基板表面，形成氮化鎵GaN晶核，氮化鎵晶核按氣態(tài)-固態(tài)機(jī)理繼續(xù)生長，最終生長為平直光滑的氮化鎵GaN納米線；在1000℃±5℃下，在氧化鎵與反應(yīng)氣體氨氣的反應(yīng)過程中，單晶硅片上的淡黃色薄膜變成了白色薄膜，即反應(yīng)生成了白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線；11)冷卻將真空泵和管式高溫爐同時(shí)關(guān)閉，使石英產(chǎn)物舟及產(chǎn)物隨爐冷卻至常溫20℃±3℃，冷卻速度為5℃/分鐘，冷卻時(shí)間為196分鐘±5分鐘；12)收集產(chǎn)物冷卻后，將石英產(chǎn)物舟及產(chǎn)物從管式高溫爐中取出，將單晶硅片上的產(chǎn)物收集于無色透明的玻璃瓶中，密閉保存；13)檢測、分析、對(duì)比對(duì)制取、生長的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線的形貌、結(jié)構(gòu)、成分、純度、線形長度、直徑、化學(xué)、物理、光學(xué)性能進(jìn)行檢測分析、對(duì)比，用X射線衍射儀進(jìn)行氮化鎵結(jié)構(gòu)分析，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行氮化鎵納米線形貌分析，用化學(xué)分析儀進(jìn)行產(chǎn)收率分析，用電子分散能譜進(jìn)行純度分析；14)儲(chǔ)存對(duì)制取、生長的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線產(chǎn)物，置于無色透明的玻璃容器中，在干燥潔凈的環(huán)境中密閉儲(chǔ)存，儲(chǔ)存溫度為20℃±3℃，要嚴(yán)格防水、防潮、防曬、防酸堿侵蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法，其特征在于所述的氮化鎵納米線的制取是以氧化鎵Ga2O3為原料，以氧化銦In2O3為催化劑，以氨氣NH3為反應(yīng)氣體，以惰性氣體氬氣Ar為保護(hù)氣體，以單晶硅片為襯底基板，以無水乙醇CH3CH2OH為混合劑，以丙酮CH3COCH3、無水乙醇CH3CH2OH、去離子水H2O為基板單晶硅片清洗劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法，其特征在于所述的氮化鎵納米線的制取、生長是在管式高溫爐中進(jìn)行的，高溫氨化反應(yīng)、生長溫度為1000℃±5℃，從常溫20℃±3℃開始升溫，升溫速度為8℃/分鐘，升溫時(shí)間122分鐘±2分鐘，恒溫保溫時(shí)間為45分鐘±2分鐘；輸入保護(hù)氣體氬氣時(shí)間為5分鐘±0.5分鐘，輸入保護(hù)氣體氬氣量為1000厘米3±5厘米3，輸入速度為200厘米3/分鐘；輸入反應(yīng)氣體氨氣時(shí)間為40分鐘±2分鐘，輸入氨氣量為2400厘米3±10厘米3，輸入速度為60厘米3/分鐘；管式高溫爐內(nèi)真空度保持在0.08MPa。
全文摘要
本發(fā)明為一種無機(jī)化合物氮化鎵納米線的制取方法，它是以化學(xué)物質(zhì)氧化鎵為原料，以氧化銦為催化劑，以氨氣為反應(yīng)氣體，以氬氣為保護(hù)氣體，以無水乙醇為混合劑，以丙酮、無水乙醇、去離子水為單晶硅襯底基板清洗劑，經(jīng)合理的化學(xué)物質(zhì)精選、配比、純度控制、催化劑、反應(yīng)氣體和保護(hù)氣體輸入、混合劑、清洗劑的優(yōu)化使用，通過原料研磨、過篩、超聲清洗基板、原料和催化劑的超聲分散混合懸濁、勻膠機(jī)均勻涂覆懸濁液、干燥處理、抽真空、輸氬氣、氨氣、高溫氨化、化合反應(yīng)、納米線生長、冷卻、檢測分析對(duì)比，最終得到高純度的白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線，產(chǎn)物形貌均勻，直徑在50nm－70nm，單根線形平均長度90μm，化學(xué)、物理、光學(xué)性能穩(wěn)定，制取生長方法流程短，使用設(shè)備少，產(chǎn)物產(chǎn)收率高，可達(dá)95％，純度好，可達(dá)98％，是十分理想的制取白色、實(shí)心、線形氮化鎵納米線的方法。
文檔編號(hào)C01B21/00GK1803627SQ20051004811
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者許并社, 李春華, 梁建, 翟雷應(yīng), 郝海濤, 劉光煥, 王非, 楊冬, 馬淑芳 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)