專利名稱：一種制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質(zhì)結(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)領(lǐng)域，是一種制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質(zhì)結(jié)陣列的方法。
背景技術(shù)：
近年來，一維納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)因?yàn)槠涑叽?、形狀和具有?yōu)異的電、光、磁的物性， 在光學(xué)、電子學(xué)、磁學(xué)、催化、生物探測(cè)、藥物輸送運(yùn)等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。氮化鋁、氮化鎵為直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度分別為為6. 2和3. 4電子伏，被稱為第三代半導(dǎo)體材料，具有高的熱導(dǎo)率，高熔點(diǎn)，化學(xué)穩(wěn)定，較小的的電子親和能， 帶間躍遷發(fā)射波長(zhǎng)可從藍(lán)光深入到深紫外波段，可廣泛應(yīng)用于光電器件。文獻(xiàn)中報(bào)道的氮化鋁、氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)多為平面薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，即二維量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴煌镔|(zhì)晶格常數(shù)不同，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中有大量刃型位錯(cuò)等缺陷。與薄膜和塊體異質(zhì)結(jié)相比，一維納米異質(zhì)結(jié)因?yàn)樾〕叽缧?yīng)，可以將不同晶格常數(shù)的物質(zhì)組成無位錯(cuò)結(jié)點(diǎn)； 也因?yàn)橐痪S納米異質(zhì)結(jié)具有小尺寸、高的表面體積比和量子局限效應(yīng)，可具有不同的性能。一維的氮化鎵和氮化鋁異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備，用化學(xué)氣相沉積法制備氮化鋁納米陣列， 納米異質(zhì)結(jié)的陣列制備在文獻(xiàn)中已有報(bào)道。2010年J. K. Jian等人用化學(xué)氣相沉積法合成了納米柱、納米棒陣列，并討論了產(chǎn)物形貌的變化，參閱J. Alloys Compd.第503卷第L34頁(yè)。2003年胡征小組合成了多面氮化鋁納米管，參閱J. Am. Chem. Soc.第125卷第10176頁(yè)。2006年J. Yang等人用化學(xué)氣相沉積法合成了高致密的氮化鋁納米陣列，參閱Nanotechnology第17卷第s321頁(yè)。2010年K Hestroffer等人用等離子體輔助氣象外延法制備了在氮化鋁外包覆氮化鎵的納米柱異質(zhì)結(jié)構(gòu)(核殼結(jié)構(gòu)納米柱異質(zhì)結(jié))，參閱Nanotechnology第21卷415702 頁(yè)。2009年^ung Joon Hong等人用低壓金屬有機(jī)氣相外延生產(chǎn)制備了氮化鎵、氧化鋅同軸納米管異質(zhì)結(jié)陣列，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和光學(xué)性能的測(cè)量，參閱New JJhys第11卷 125021 頁(yè)。以上報(bào)道涉及了氮化鋁納米陣列的制備，氮化鋁外包覆氮化鎵的納米柱異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，氮化鎵、氧化鋅同軸納米管異質(zhì)結(jié)陣列的制備。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積工藝用兩步法合成了氮化鋁和氮化鎵異質(zhì)結(jié)陣列，氮化鋁和氮化鎵異質(zhì)結(jié)是核殼結(jié)構(gòu)的豎直生長(zhǎng)的納米線，整體陣列產(chǎn)物具有獨(dú)立自支撐片狀結(jié)構(gòu)，是氮化鎵包覆氮化鋁，具有陣列的特點(diǎn)。本發(fā)明中所制備的獨(dú)立自支撐異質(zhì)結(jié)陣列，使其在光電器件領(lǐng)域有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種化學(xué)氣相沉積制備氮化鋁和氮化鎵異質(zhì)結(jié)的方法。本發(fā)明是通過以下工藝實(shí)現(xiàn)的
用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法用兩步法制備氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)的異質(zhì)結(jié)。第一步，用無水三氯化鋁(AlCl3)和氨氣(NH3)作為反應(yīng)源生長(zhǎng)氮化鋁(AlN)納米棒陣列；第二步，在氮化鋁(AlN)納米陣列上鍍金(Au)作為催化劑，用金屬鎵(Ga)和氨氣作為反應(yīng)源在氮化鋁(AlN)納米棒陣列上生長(zhǎng)氮化鎵(GaN)的異質(zhì)結(jié)。第一步在一爐管長(zhǎng)度為IOOcm的水平管式爐中，將裝有一定量(純度為質(zhì)量百分比 98% )無水AlCl3粉末的陶瓷舟放置到水平管式爐的上游距管口 6cm-9cm處，整個(gè)管內(nèi)壁包一層用濃鹽酸和酒精棉球擦拭干凈并干燥后的石墨紙作為管內(nèi)壁的保護(hù)和襯底，密封水平管式爐后抽真空到一定程度，然后在Ar氛圍中升到730°C -800°C，通入流量200sCCm的 NH3,同時(shí)Ar流量控制在lOOsccm，繼續(xù)升溫到850°C，恒溫反應(yīng)四小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，在襯底上得到大量獨(dú)立自支撐的白色片狀氮化鋁。所得氮化鋁薄膜表面形貌為納米陣列，宏觀上表現(xiàn)為獨(dú)立自支撐的白色片狀氮化鋁，最大尺寸為3cmX4cm左右。第二步將片狀氮化鋁用小型濺射儀鍍一層Au作為催化劑。在前一步實(shí)驗(yàn)所用的水平管式爐中，將裝有金屬Ga(純度為質(zhì)量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應(yīng)源，將鍍Au催化劑的片狀A(yù)lN作為襯底放置在下游距源15cm-20cm的地方， 密封水平管式爐后抽真空到一定程度，然后在Ar氛圍中升到1000°C -1100°C，通入流量 100sccm-200sccm的NH3,恒溫反應(yīng)1_2小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁(AlN)和氮化鎵(feN)的納米棒異質(zhì)結(jié)的陣列。本發(fā)明所制得的自支撐白色片狀氮化鋁X射線衍射(XRD)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵包覆纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鋁陣列。本發(fā)明所得在自支撐片狀的氮化鋁陣列上生成的氮化鎵異質(zhì)結(jié)，具有納米陣列和納米異質(zhì)結(jié)的特征，有潛在的工業(yè)技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。所用生長(zhǎng)方法較簡(jiǎn)單、成本低，適合推廣大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例1第一步生長(zhǎng)所得AlN樣品的XRD圖；圖2為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后樣品的XRD圖；圖3為實(shí)施例1第一步生長(zhǎng)所得AlN樣品的掃描電鏡圖片；圖4為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后樣品的掃描電鏡圖片；圖5為實(shí)施例1所得AlN樣品的實(shí)物照片，具有獨(dú)立自支撐結(jié)構(gòu)；圖6為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后樣品的實(shí)物照片；圖7為實(shí)施例1第一步生長(zhǎng)所得AlN樣品的EDS成分分析；圖8為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后單根納米棒樣品的EDS成分分析；圖9為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后樣品單根納米棒的低倍透射圖片；圖10為實(shí)施例1第二步生長(zhǎng)在AlN上生長(zhǎng)GaN后樣品的高倍透射圖片；
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1第一步將裝有IOg的無水AlCl3 (純度為質(zhì)量百分比98% )粉末的陶瓷舟放置到水平管式爐的上游離管口 8cm處，整個(gè)管內(nèi)壁包一層用濃鹽酸和酒精棉球擦拭干凈并干燥后的石墨紙作為管內(nèi)壁的保護(hù)和襯底，密閉水平管式爐然后抽真空到2. 5X10_2Pa，在Ar氛圍中加熱管式爐到760V，將Ar流量調(diào)至lOOsccm，同時(shí)通入200sCCm的NH3氣，繼續(xù)升溫到850°C 后反應(yīng)4小時(shí)，最后在Ar氛圍下自然冷卻到室溫，在距管口 25-40cm的石墨襯底上可以得到大量白色片狀產(chǎn)物，大部分已脫離石墨襯底，形成獨(dú)立自支撐的產(chǎn)物，經(jīng)測(cè)試為氮化鋁納米棒陣列。第二步將片狀氮化鋁陣列用小型濺射儀鍍一層Au作為催化劑，濺射電流5mA，濺射時(shí)間15秒。在前一步實(shí)驗(yàn)所用的水平管式爐中，將裝有0. 2g金屬Ga(純度為質(zhì)量百分比 99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應(yīng)源，將鍍Au催化劑的片狀A(yù)lN作為襯底放置在下游距鎵源18cm的地方，密封水平管式爐后抽真空到2. 0 X 10_2Pa，然后在Ar氛圍中升到1100°C，通入流量120sCCm的NH3，恒溫反應(yīng)1. 5小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，經(jīng)測(cè)試，在襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的異質(zhì)結(jié)陣列。在收集襯底上可以看見輕微的顏色變化，表面有灰色產(chǎn)物。所得產(chǎn)物的XRD圖分析結(jié)果表明其為纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化鋁和氮化鎵，EDS圖顯示，產(chǎn)物中有鋁、鎵、氮。其掃描電鏡圖顯示所得產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)為納米陣列，如圖所示。所得樣品的實(shí)物光學(xué)照片如圖所示，表明產(chǎn)物是獨(dú)立、自支撐的。實(shí)施例2第一步和實(shí)施例1第一步同。第二步將片狀氮化鋁陣列用小型濺射儀鍍一層Au作為催化劑。在前一步實(shí)驗(yàn)所用的水平管式爐中，將裝有0. 15g金屬Ga(純度為質(zhì)量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應(yīng)源，將鍍Au催化劑的片狀A(yù)lN作為襯底放置在下游距源15cm的地方， 密封水平管式爐后抽真空到3. OX 10_2Pa，然后在Ar氛圍中升到1050°C，通入流量120sCCm 的NH3，恒溫反應(yīng)1小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的納米棒異質(zhì)結(jié)陣列。實(shí)施例3第一步和實(shí)施例1第一步同。第二步將同一片氮化鋁陣列片放入小型濺射儀，一部分覆蓋遮擋，在暴露的氮化鋁上鍍一層Au作為催化劑。在前一步實(shí)驗(yàn)所用的水平管式爐中，將裝有0. Ig金屬Ga(純度為質(zhì)量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應(yīng)源，將一半鍍Au催化劑另一半未鍍金催化劑的片狀A(yù)lN作為襯底放置在下游距源18cm的地方，密封水平管式爐后抽
5真空到2. OX 10_2Pa，然后在Ar氛圍中升到IlOO0C，通入流量120sccm的NH3,恒溫反應(yīng)1. 5 小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，經(jīng)測(cè)試，在鍍金位置的氮化鋁襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的異質(zhì)結(jié)陣列，而為鍍金襯底的氮化鋁上未生長(zhǎng)氮化鎵。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)氣相沉積制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質(zhì)結(jié)的方法，其特征在于所制備產(chǎn)物微觀表面形貌為納米棒的異質(zhì)結(jié)陣列，宏觀上為獨(dú)立自支撐片狀產(chǎn)物，并且通過以下兩步制備途徑實(shí)現(xiàn)。第一步，將裝有一定量無水AlCl3(純度為質(zhì)量百分比98%)粉末的陶瓷舟放置到水平管式爐內(nèi)一定位置，在管內(nèi)包覆石墨紙，密封水平管式爐后抽真空到到一定程度，然后通入Ar氣氛，將水平管式爐升溫到預(yù)定溫度，將Ar流量調(diào)至預(yù)定流量，同時(shí)通入預(yù)定流量的NH3氣，將爐溫升至預(yù)設(shè)溫度，反應(yīng)四小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，在石墨襯底上可收集到獨(dú)立自支撐的白色片狀氮化鋁產(chǎn)物；第二步，將裝有金屬( (純度為質(zhì)量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應(yīng)源，將第一步反應(yīng)產(chǎn)物片狀A(yù)lN鍍Au催化劑作為襯底放置在鎵源下游，密封水平管式爐后抽真空到一定程度，然后在Ar氛圍中升到預(yù)設(shè)溫度，通入預(yù)定流量的NH3,恒溫反應(yīng)1-2小時(shí)，最后在Ar氣保護(hù)下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)的納米棒異質(zhì)結(jié)的陣列。
2.如權(quán)利要求1所述，其特征在于，產(chǎn)物合成用化學(xué)氣相沉積的方法在水平管式爐內(nèi)進(jìn)行，所使用原料為AlCl3粉末和金屬Ga，用NH3氣作為氮源。
3.如權(quán)利要求1所述，其特征在于，將第一步反應(yīng)得到的獨(dú)立自支撐的白色片狀氮化鋁納米棒陣列產(chǎn)物作為襯底，在上面生長(zhǎng)氮化鎵的異質(zhì)結(jié)。
4.如權(quán)利要求1所述，其特征在于，最終產(chǎn)物為自支撐的氮化鎵包覆氮化鋁的納米棒異質(zhì)結(jié)陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質(zhì)結(jié)陣列的方法，是通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的用兩步化學(xué)氣相沉積(CVD)方法來制備，第一步，在CVD管式爐中，用無水三氯化鋁(AlCl3)作為鋁(Al)源，通入氨氣(NH3)作為氮(N)源，反應(yīng)后得到白色片狀獨(dú)立自支撐的AlN納米棒陣列；第二步，在白色片狀A(yù)lN納米棒陣列上鍍金(Au)作為催化劑，在CVD管式爐中，用金屬鎵(Ga)和NH3作為反應(yīng)源在AlN納米棒陣列上生長(zhǎng)GaN的異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明所制備材料為氮化鋁和氮化鎵納米棒陣列，其特點(diǎn)是在微觀上為納米棒異質(zhì)結(jié)陣列，在宏觀上為獨(dú)立、自支撐的白色薄片。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102205951SQ20111009177
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者吳 榮, 孫言飛, 李錦 , 楊建強(qiáng), 簡(jiǎn)基康 申請(qǐng)人:新疆大學(xué)