專利名稱：一種制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質結的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米結構生長領域，是一種制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質結陣列的方法。
背景技術：
近年來，一維納米結構納米結構因為其尺寸、形狀和具有優(yōu)異的電、光、磁的物性， 在光學、電子學、磁學、催化、生物探測、藥物輸送運等諸多領域具有廣泛應用前景。氮化鋁、氮化鎵為直接帶隙寬禁帶半導體材料，禁帶寬度分別為為6. 2和3. 4電子伏，被稱為第三代半導體材料，具有高的熱導率，高熔點，化學穩(wěn)定，較小的的電子親和能， 帶間躍遷發(fā)射波長可從藍光深入到深紫外波段，可廣泛應用于光電器件。文獻中報道的氮化鋁、氮化鎵異質結構多為平面薄膜異質結構，即二維量子阱異質結構，因為不同物質晶格常數(shù)不同，異質結構中有大量刃型位錯等缺陷。與薄膜和塊體異質結相比，一維納米異質結因為小尺寸效應，可以將不同晶格常數(shù)的物質組成無位錯結點； 也因為一維納米異質結具有小尺寸、高的表面體積比和量子局限效應，可具有不同的性能。一維的氮化鎵和氮化鋁異質結構制備，用化學氣相沉積法制備氮化鋁納米陣列， 納米異質結的陣列制備在文獻中已有報道。2010年J. K. Jian等人用化學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。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。2006年J. Yang等人用化學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。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結構(核殼結構納米柱異質結)，參閱Nanotechnology第21卷415702 頁。2009年^ung Joon Hong等人用低壓金屬有機氣相外延生產(chǎn)制備了氮化鎵、氧化鋅同軸納米管異質結陣列，進行了結構分析和光學性能的測量，參閱New JJhys第11卷 125021 頁。以上報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結構的制備，氮化鎵、氧化鋅同軸納米管異質結陣列的制備。本發(fā)明采用化學氣相沉積工藝用兩步法合成了氮化鋁和氮化鎵異質結陣列，氮化鋁和氮化鎵異質結是核殼結構的豎直生長的納米線，整體陣列產(chǎn)物具有獨立自支撐片狀結構，是氮化鎵包覆氮化鋁，具有陣列的特點。本發(fā)明中所制備的獨立自支撐異質結陣列，使其在光電器件領域有重大的潛在應用價值。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種化學氣相沉積制備氮化鋁和氮化鎵異質結的方法。本發(fā)明是通過以下工藝實現(xiàn)的
用化學氣相沉積(CVD)的方法用兩步法制備氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)的異質結。第一步，用無水三氯化鋁(AlCl3)和氨氣(NH3)作為反應源生長氮化鋁(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)和氨氣作為反應源在氮化鋁(AlN)納米棒陣列上生長氮化鎵(GaN)的異質結。第一步在一爐管長度為IOOcm的水平管式爐中，將裝有一定量(純度為質量百分比 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，整個管內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壁的保護和襯底，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Ar流量控制在lOOsccm，繼續(xù)升溫到850°C，恒溫反應四小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，在襯底上得到大量獨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。在前一步實驗所用的水平管式爐中，將裝有金屬Ga(純度為質量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應源，將鍍Au催化劑的片狀AlN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1_2小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁(AlN)和氮化鎵(feN)的納米棒異質結的陣列。本發(fā)明所制得的自支撐白色片狀氮化鋁X射線衍射(XRD)為閃鋅礦結構的氮化鎵包覆纖鋅礦結構的氮化鋁陣列。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結，具有納米陣列和納米異質結的特征，有潛在的工業(yè)技術應用價值。所用生長方法較簡單、成本低，適合推廣大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為實施例1第一步生長所得AlN樣品的XRD圖；圖2為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后樣品的XRD圖；圖3為實施例1第一步生長所得AlN樣品的掃描電鏡圖片；圖4為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后樣品的掃描電鏡圖片；圖5為實施例1所得AlN樣品的實物照片，具有獨立自支撐結構；圖6為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后樣品的實物照片；圖7為實施例1第一步生長所得AlN樣品的EDS成分分析；圖8為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后單根納米棒樣品的EDS成分分析；圖9為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后樣品單根納米棒的低倍透射圖片；圖10為實施例1第二步生長在AlN上生長GaN后樣品的高倍透射圖片；
具體實施例方式實施例1第一步將裝有IOg的無水AlCl3 (純度為質量百分比98% )粉末的陶瓷舟放置到水平管式爐的上游離管口 8cm處，整個管內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壁的保護和襯底，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流量調至lOOsccm，同時通入200sCCm的NH3氣，繼續(xù)升溫到850°C 后反應4小時，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，形成獨立自支撐的產(chǎn)物，經(jīng)測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，濺射時間15秒。在前一步實驗所用的水平管式爐中，將裝有0. 2g金屬Ga(純度為質量百分比 99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應源，將鍍Au催化劑的片狀AlN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1. 5小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，經(jīng)測試，在襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的異質結陣列。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圖分析結果表明其為纖鋅礦結構氮化鋁和氮化鎵，EDS圖顯示，產(chǎn)物中有鋁、鎵、氮。其掃描電鏡圖顯示所得產(chǎn)物微觀結構為納米陣列，如圖所示。所得樣品的實物光學照片如圖所示，表明產(chǎn)物是獨立、自支撐的。實施例2第一步和實施例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。在前一步實驗所用的水平管式爐中，將裝有0. 15g金屬Ga(純度為質量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應源，將鍍Au催化劑的片狀AlN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1小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的納米棒異質結陣列。實施例3第一步和實施例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。在前一步實驗所用的水平管式爐中，將裝有0. Ig金屬Ga(純度為質量百分比99. 99% )的陶瓷舟放置在水平管式爐的中間作為反應源，將一半鍍Au催化劑另一半未鍍金催化劑的片狀AlN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1. 5 小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，經(jīng)測試，在鍍金位置的氮化鋁襯底上得到氮化鋁和氮化鎵的異質結陣列，而為鍍金襯底的氮化鋁上未生長氮化鎵。
權利要求
1.一種化學氣相沉積制備氮化鋁和氮化鎵納米棒異質結的方法，其特征在于所制備產(chǎn)物微觀表面形貌為納米棒的異質結陣列，宏觀上為獨立自支撐片狀產(chǎn)物，并且通過以下兩步制備途徑實現(xiàn)。第一步，將裝有一定量無水AlCl3(純度為質量百分比98%)粉末的陶瓷舟放置到水平管式爐內一定位置，在管內包覆石墨紙，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定溫度，將Ar流量調至預定流量，同時通入預定流量的NH3氣，將爐溫升至預設溫度，反應四小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，在石墨襯底上可收集到獨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源，將第一步反應產(chǎn)物片狀AlN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氛圍中升到預設溫度，通入預定流量的NH3,恒溫反應1-2小時，最后在Ar氣保護下自然冷卻到室溫，在襯底上得到氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)的納米棒異質結的陣列。
2.如權利要求1所述，其特征在于，產(chǎn)物合成用化學氣相沉積的方法在水平管式爐內進行，所使用原料為AlCl3粉末和金屬Ga，用NH3氣作為氮源。
3.如權利要求1所述，其特征在于，將第一步反應得到的獨立自支撐的白色片狀氮化鋁納米棒陣列產(chǎn)物作為襯底，在上面生長氮化鎵的異質結。
4.如權利要求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結陣列。
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結陣列的方法，是通過以下工藝過程實現(xiàn)的用兩步化學氣相沉積(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，反應后得到白色片狀獨立自支撐的AlN納米棒陣列；第二步，在白色片狀AlN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作為反應源在AlN納米棒陣列上生長GaN的異質結。本發(fā)明所制備材料為氮化鋁和氮化鎵納米棒陣列，其特點是在微觀上為納米棒異質結陣列，在宏觀上為獨立、自支撐的白色薄片。
文檔編號B82Y40/00GK102205951SQ20111009177
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月13日 優(yōu)先權日2011年4月13日
發(fā)明者吳 榮, 孫言飛, 李錦 , 楊建強, 簡基康 申請人:新疆大學