氮化镓gan低维材料的制备和物--2002 中科院物理所

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1、氮化镓低维材料的制备和物性PreparationandPhysicalPropertiesofLowDimensionalGaNMaterials撰稿／陈小龙--来自中科院物理研究所一、研究目的和意义Ⅲ族氮化物GaN，A1N，InN可形成连续固溶体，其带隙能够覆盖从1．8eV的红光波段到6．2eV的紫外波段，是制做红、黄、绿，特别是蓝光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、大功率晶体管的理想材料，在可见光源和紫外光源领域有着广阔的应用前景。例如：蓝光LD激光可使光盘存储密度提高一个数量级，可使激光打印速率提

2、高一个数量级以上。此外，GaN是宽带隙半导体，加上其自身具备的良好的导热性，也是制造大功率晶体管方面最佳的材料之一。最近美国康奈尔大学成功地研制成了GaN晶体管，其微波输出功率是目前移动电话、军用雷达和卫星转播器所使用的晶体管的数百倍之多，将为通信技术带来巨大的变化。随着微电子和光电子器件突飞猛进的发展，其集成化程度越来越高，单个元件的尺寸已达亚微米量级。可以预见在不久的将来，单个元件的尺寸将向纳米尺寸挺进。GaN作为一种重要的第三代半导体材料，研究其低维材料的制备和物性，不仅可以深入认识其新的物理特性，如量子

3、尺寸效应，而且可以为将来制备纳米器件，提供技术储备。理论及实验证实，GaN纳米材料能够在很大程度上改善蓝／绿光和紫外光电器件的性能。原因在于：①从理论上说，利用量子线／点制备的发光及激光二极管能够显著改善其光学性能，例如出现较低的阈值电流和阈值电流对温度的较小的依赖性等；②当颗粒尺度小于其激子玻尔半径时，就会出现量子限域效应，并进而导致更佳的非线性光学性能及发射性能。二、取得的重要进展1.发展了氮化镓纳米线制备的新方法目前国内外都已投入了相当大的力量进行GaN纳米线或纳米棒的研制工作。目前GaN纳米线都是利用模

4、板所提供的空间限制化学反应或生长来制备的，常用的模板材料有碳纳米管、微孔Al2O3和GaAs纳米线等。用这种空间受限反应或生长制备GaN纳米线或纳米棒，其直径和形貌均对模板有强烈的依赖性，目前所报道的大部分GaN纳米线是表面粗糙的弯曲纳米线，而其表面粗糙度会在很大程度上影响近带隙发光，因此，获得直而长且表面光滑的GaN纳米线就显得非常重要了。另一方面，相对来说，目前所采用的空间限制方法，工艺也较为复杂。我们发展了一种新的生长GaN纳米线的方法，该方法不需要模板，直接在LaAlO3，石英和MgO等晶体衬底上利用金

5、属和氨气反应的气相法制备光滑且直的GaN纳米线。该方法的关键是在合适的晶体衬底上散布某种纳米尺寸的催化剂和供质反应气体的稳定性和方向性。通过控制这两个主要参数，我们获得了平直且表面光滑的GaN纳米线。我们的实验结果表明，不仅3d过渡族金属，如Fe，Co，Ni等是制备GaN纳米线的有效催化剂，而且其氧化物具有同样的催化作用。在实验过程中，首先将少量3d过渡族金属的硝酸盐溶于水或酒精中，制成浓度极低的溶液。将抛光的LaAlO3、SiO2、MgO晶体衬底侵入溶液，再很快取出并在阴凉处晾干。然后在Ar气保护下900℃加

6、热数小时。扫描电镜结果表明，粒度在8~30nm的催化剂颗粒均匀分布在晶体衬底上。然后将金属Ga和衬底放入石英管内，两者相距15mm左右，在Ar气保护下加热至920-940℃，再通NH35min，随炉冷却至室温，在衬底上生长的GaN纳米线如图1所示。纳米线的直径为10~40nm，表面光滑且无弯曲。X射线衍射和透射电镜分析表明生长的GaN纳米线属六方结构，其点阵常数为a=0．318nm，c=0．518nm(图2)。高分辨电镜分析表明生长的GaN纳米线是实心的，而非纳米管。纳米线由(001)晶面沿径向堆垛，生长方向为

7、[120]光致荧光测量表明GaN纳米线的带隙发光具有蓝移现象，从块体GaN的365nm移至342nm。催化剂颗粒的粒度、气流量、温度等因素对所制备的GaN纳米线直径和形貌存在很大影响。此外，用同样的方法，我们还成功地制备出了AIN的纳米线。由于这是一种非空间受限反应模式，摆脱了模板对GaN纳米线的影响，且简化了工艺，因此是一种获得高质量纳米线的有效方法，对于今后纳米发光器件的制备及研究工作具有重要的应用价值和科学意义。2．发展了氮化镓量子点制备的新方法一般制备量子点采用的是光刻法和Stranski-Krasta

8、nov(S-K)生长模式。第一种方法出于其方法本身的局限性，已基本不再常用。而第二种方法则是利用MBE和MOVPE，通过基底和外延膜的品格失配而诱导产生的，目前普遍采用这种方式。在这种模式中，先沉积一层2D润湿层，通过3D岛的形成产生塑性驰豫，并进而形成一个自由表面。我们发展了一种新的量子点制备方法：通过衬底的表面粗糙性来产生氮化镓的量子点，同时观察到了这种量子点的量子限域效应。用未抛