專利名稱：一種單晶ain納米錐和納米片的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低維半導體納米結構生長的技術領域。首次在中溫區(qū)(85(T90(TC)，使用氨氣和商業(yè)鋁粉為反應原料，氣相沉積法生長單晶AlN納米錐和納米片。
背景技術：
AlN是一種重要三族氮化物寬禁帶半導體光電材料，具有最高的直接帶隙、高熱導率、高熔點、高熱穩(wěn)定性、較低的電子親和勢、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和無毒性等特點。在紫外探測器、深紫外發(fā)光二極管、平板顯示等光電器件中有重要的應用。低維納米材料的維度、形貌、尺寸等因素與它們的獨特 性能密切相關，也是構筑納米功能器件的基礎，因此低維納米結構材料的制備一直是納米材料研究領域的前沿和熱點?；诘途SAlN納米結構材料優(yōu)異的物理性能及其在制作實用新型納米光電器件方面有潛在的應用前景，低維AlN納米結構的制備已經引起了廣泛的關注，各種形貌的低維AlN納米結構不斷地被成功合成。合成方法主要有:(I)納米管模板法(限域反應)；(2)陽極氧化鋁模板法；(3)高溫直接氮化法；(4)催化劑輔助氣相沉積法；(5)鹵化物化學氣相沉積法。目前，氣相沉積法是控制生長低維AlN納米結構比較成功的一種方法。純鋁作為鋁源，無催化劑的直接氮化法，氮氣作為氮源通常都需要2000°C左右的高溫，氨氣作為氮源也至少需要1200°C以上。氨氣作為氮源，IOOO0C以下的氣相沉積法生長低維AlN納米結構多使用氯化鋁作為鋁源；利用商業(yè)鋁粉作為鋁源時，通常在原料鋁粉中添加氟化物、氧化物或金屬鎳等其他物質作為催化劑，以實現(xiàn)低維AlN納米結構的生長。由此可見，要利用常壓下氣相沉積法制備低維AlN納米結構:(1)需要較高的反應溫度；(2)在商業(yè)鋁粉里添加催化劑；(3)用其他低熔點的鋁前驅物作為鋁源(例如氯化鋁)。本發(fā)明利用自制的氣相沉積系統(tǒng)，不用額外的催化劑，以商業(yè)鋁粉為鋁源，在中溫區(qū)(85(T900°C)，通過控制氨氣和氬氣的流量，實現(xiàn)了單晶AlN納米錐和納米片的生長。目前還沒有在低于1000°C以下，直接氮化商業(yè)鋁粉，從而制備出AlN納米錐和納米片結構的報道。
發(fā)明內容
本發(fā)明目的，是提供一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，工藝簡單、成本低，沒有添加任何催化劑和模板，反應溫度相對較低的特點。采用的技術方案是:
一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，包括下述工藝步驟:
1、在硅基片上沉積一薄層鋁粉:用去離子水或乙醇對硅基片進行超聲清洗，把鋁粉放入裝有乙醇的燒杯中進行超聲振蕩15-30分鐘，然后將硅基片放入燒杯里，自然風干后得到沉積一薄層鋁粉的硅基片；
2、將0.3 g純度為99.999%的商業(yè)Al粉均勻平鋪到自制鑰舟中，沉積有鋁粉的硅片作生長襯底扣置于鑰舟的正上方5飛mm處，沉積的鋁層朝下，將鑰舟放入石英試管中，再將裝有鑰舟的石英試管置于水平石英管式爐的反應區(qū)，密閉真空系統(tǒng)后開始抽真空，當真空系統(tǒng)的真空度低于< 5帕時，通入流量為500 sccm氬氣對系統(tǒng)進行洗氣，20分鐘后關閉氬氣流量，對系統(tǒng)進行加熱，升溫速率為80-85°C /min,當爐溫達到850°C時通入流量為100sccm的氨氣和氬氣，當溫度達到900°C時氨氣和氬氣流量為50SCCm，保持1.5-2小時，最后停止加熱，當溫度降至680°C時關閉氨氣流量，同時在氬氣的保護氣氛下自然冷卻到室溫。冷卻后取出硅片，在硅片的沉積表面收集到淡黃色的物質，在鑰舟表面收集到灰白色的物質，即得。上述石英試管直徑20mm,長150mm。上述水平石英管式爐的石英管直徑80mm，恒溫區(qū)長度為34.5cm，用質量流量計控制氣體流量。本發(fā)明的特點是:
本發(fā)明所述的合成方法是一種氣相傳輸沉積方法，其自制的生長裝置示意圖如圖1。在硅襯底上沉積的一層薄鋁粉是AlN在硅襯底上成核的基礎，克服了 1000°C以下A1+NH3反應體系中硅襯底上AlN成核難、成核率低及結合力差的困難。自制的鑰舟有助于提高鋁的蒸汽壓濃度，導致鑰舟表面形成AlN納米片。本發(fā)明具有反應原料簡單，制備工藝簡單和沉積范圍較大的特點，可適用于大量的工業(yè)化生長AlN納米結構晶體。
圖1是本發(fā)明生長AlN納米片和納米錐的自制實驗裝置結構圖。圖2是AlN納米片的XRD圖譜。圖3是AlN納米片的掃描電鏡圖片。圖4是AlN納米片的高分辨透射電鏡圖片。圖5是AlN納米錐的XRD圖譜 圖6是AlN納米錐的掃描電鏡圖片。圖7是AlN納米錐的高分辨透射電鏡圖片。
具體實施例方式實施例1
一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，是將0.3 g純度為99.999%的Al粉平鋪到鑰舟上，將沉積有一層鋁粉的硅基片扣置于鑰舟的正上方5飛mm處，將鑰舟放入直徑20 mm的小石英試管中，然后將小石英管放置在直徑為80 mm的水平石英管式爐的反應區(qū)。密閉真空系統(tǒng)后開始抽真空，當真空系統(tǒng)的真空度低于5帕時，通入流量為500 sccm氬氣對系統(tǒng)進行洗氣。20分鐘后關閉氬氣流量，對系統(tǒng)進行加熱，當爐溫達到900°C時同時通入50sccm的氨氣和氬氣，保持2小時。最后，停止加熱系統(tǒng)，當溫度降至680°C時關閉氨氣流量，同時在氬氣的保護氣氛下自然冷卻到室溫。冷卻在鑰舟表面上得到呈灰白色的一整塊產物。XRD的分析表明產物為具有纖鋅礦結構的AlN晶體，如圖2所示。掃描電鏡圖片的結果表明表面產物為大量的AlN納米片，其寬度大約300 nm，厚度大約40 nm，頂部寬度略有減小，如圖3所示。高分辨透射電鏡圖片顯示單個AlN納米片是一個單晶體，其兩箭頭指示的晶面間距0.268 nm對應纖鋅礦AlN的(100)晶面的間距，如圖4所示。
實施例2
一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，是將0.3 g純度為99.999%的Al粉放到鑰舟中，將沉積有鋁粉的硅片作為生長襯底扣置于鑰舟的正上方5飛mm處，將鑰舟放入直徑
20mm的小石英試管中，然后將小石英管放置在直徑為80 mm的水平石英管式爐的反應區(qū)。密閉真空系統(tǒng)后開始抽真空，當真空系統(tǒng)的真空度低于5帕時，通入流量為500 sccm氬氣對系統(tǒng)進行洗氣。20分鐘后關閉氬氣流量，對系統(tǒng)進行加熱，當爐溫達到850°C時通入100sccm的氨氣和氬氣，保持2小時。最后，停止加熱系統(tǒng)，當溫度降至680°C時關閉氨氣流量，同時在氬氣的保護氣氛下自然冷卻到室溫。XRD的分析表明產物為具有纖鋅礦結構的AlN晶體，如圖5所示。掃描電鏡和透射電鏡圖片的結果表明硅襯底上產物為大量的AlN納米錐，其長度大約I μ m，尖端大約10-20 nm，，如圖6和圖7 (a)所示。高分辨透射電鏡圖片顯示單個AlN納米錐是一個單晶體,其兩箭頭指示的晶面間距0.269 nm,對應纖鋅礦AlN的(100)晶面的間距，如圖7 ( b)所示，說明生長方向垂直[100]方向。
權利要求
1.一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，其特征在于包括下述工藝步驟: ①在硅基片上沉積一薄層鋁粉:用去離子水或乙醇對硅基片進行超聲清洗，把鋁粉放入裝有乙醇的燒杯中進行超聲振蕩15-30分鐘，然后將硅基片放入燒杯里，自然風干后得到沉積一薄層鋁粉的硅基片； ②將0.3 g純度為99.999%的商業(yè)Al粉均勻平鋪到自制鑰舟中，沉積有鋁粉的硅片作生長襯底扣置于鑰舟的正上方5飛mm處，沉積的鋁層朝下，將鑰舟放入石英試管中，再將裝有鑰舟的石英試管置于水平石英管式爐的反應區(qū)，密閉真空系統(tǒng)后開始抽真空，當真空系統(tǒng)的真空度低于< 5帕時，通入流量為500 sccm氬氣對系統(tǒng)進行洗氣，20分鐘后關閉氬氣流量，對系統(tǒng)進行加熱，升溫速率為80-85°C /min,當爐溫達到850°C時通入流量為100sccm的氨氣和氬氣，當溫度達到900°C時氨氣和氬氣流量為50SCCm，保持1.5-2小時，最后停止加熱，當溫度降至680°C時關閉氨氣流量，同時在氬氣的保護氣氛下自然冷卻到室溫；冷卻后取出硅片，在硅片的沉積表面收集到淡黃色的物質，在鑰舟表面收集到灰白色的物質，即得。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種單晶AIN納米錐和納米片的制備方法，其特征在于上述石英試管直徑20mm,長150mm ； 上述水平石英管式爐的石英管直徑80mm，恒溫區(qū)長度為34.5cm，用質量流量計控制氣體流 量。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種氣相傳輸法制備單晶AlN納米片和納米錐的方法，是通過以下工藝過程實現(xiàn)的將原料Al粉沉積到鉬舟中，在硅基片上沉積一薄層鋁粉作為生長襯底，并扣置于鉬舟中鋁源的上方，然后，把鉬舟放進長150mm，直徑20mm的小石英試管，再把試管置于水平管式爐的反應區(qū)。封閉系統(tǒng)后開始抽真空，當系統(tǒng)的真空度低于5帕時，通入氬氣對反應系統(tǒng)進行洗氣。然后通入氬氣和氨氣，通過改變氨氣和氬氣的通氣方式，在900℃和850℃的反應溫度下，分別得到了單晶纖鋅礦結構AlN納米片和納米錐。本發(fā)明首次在中溫區(qū)(850-900℃)，未使用任何催化劑，直接反應商業(yè)鋁粉和氨氣，實現(xiàn)了AlN納米片和納米錐的生長。本方法具有工藝簡單，重復性好，生產成本低和易于推廣等特點。
文檔編號C30B29/38GK103160929SQ201310090859
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權日2013年3月21日
發(fā)明者沈龍海 申請人:沈陽理工大學