一种绿色无催化剂法制备氮化镓纳米线的方法

摘要

一种绿色无催化剂制备氮化镓纳米线的方法，属于无机化合物半导体材料制备与生长方法领域。本发明通过等离子增强化学气相沉积系统(PECVD)，在不使用任何催化剂条件下，以绿色无污染的N2作为氮源制备性能优异的一维线状的GaN纳米结构。本发明成本低廉，工艺简单，以抛光石墨为衬底，金属镓和碳粉为前驱体。在PECVD系统中，调节反应气压为30Pa‑50Pa；反应温度为825℃‑875℃；N2流速10‑40cm3/min；H2流速5‑10厘米cm3/min；射频电源功率80W‑120W，反应1‑3h得到产物。产物为六方纤锌矿结构的一维GaN纳米线，具有典型的紫光发光特征和优异的场发射性能。

权利要求

1.一种绿色无催化剂制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：(1)衬底的制备：将石墨片进行打磨、抛光，使表面粗糙度Ra≤0.8；将抛光好的石墨片依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗；然后在温度恒定设置60℃-100℃的鼓风干燥箱中保存，使表面保持干燥清洁，作为制备材料的衬底；

(2)前驱体的制备：分别称取金属镓与碳粉，质量比为2:1，得到制备材料的前驱体；

(3)将步骤(2)制备的前驱体分别放入刚玉坩埚中，步骤(1)制备的石墨衬底置于前驱体的上方，再将坩埚放入等离子增强化学气相系统的反应腔内，设置如下参数：反应气压

3 3

30Pa-50Pa；反应温度825℃-875℃；N2流速10-40cm/min；H2流速5-10cm/min；射频电源功率80W-120W；反应1h-3h，得到氮化镓纳米线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将石墨片进行打磨、抛光具体为：用1000目、2000目、5000目砂纸进行分别打磨5-10分钟，然后使用丝绸抛光布抛光5-10分钟。

说明书

一种绿色无催化剂法制备氮化镓纳米线的方法

技术领域

[0001] 本发明为一种绿色无催化剂制备氮化镓纳米线的方法，属于无机化合物半导体材料制备与生长方法领域。

背景技术

[0002] GaN与SiC、金刚石等宽带隙化合物半导体材料，是继第一代Ge、Si元素半导体、第二代GaAs、InP化合物半导体之后的第三代半导体材料。GaN作为一种第三代宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度达3.39eV，同时具有较大的电子迁移率、良好的导电导热性、高的击穿场强、较好的抗辐射性和耐高温及抗化学腐蚀性等诸多特性，已成为高能、高温及对工作环境要求较高电子元器件的优选材料。由于以GaN为基体的Ⅲ族氮化物多元合金带隙连续可调性使得GaN在蓝、绿及紫外发光二极管；全色显示；激光器和传感器等领域的应用逐渐受到人们的重视。

[0003] 目前，GaN纳米线的制备通常使用金属作为催化剂，但催化剂会降低GaN纳米线的纯度，从而增加表征及测试的难度，严重制约其性能的提高；并且常规制备方法原料价格偏贵，对环境和设备存在一定程度的污染和腐蚀。找到一种既不使用催化剂又绿色环保的制备方法已成为解决GaN纳米线广泛应用于微纳电子器件领域的关键，也是该领域科研工作者不懈追求的目标。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种绿色无催化剂制备氮化镓纳米线的方法。即在等离子增强化学气相沉积系统中，以质量比为2:1比例的金属镓和碳粉为镓源，以离子态氮为氮源，以经过预处理的片状石墨为衬底，在石英管中通过直接反应生成氮化镓纳米线。在无催化剂的条件下，摒弃对环境和设备存在污染和腐蚀的NH3，采用成本低易获得的原料、简单的实验设备和简易的工艺制备高质量氮化镓纳米线。

[0005] 本发明提供的是一种绿色无催化剂制备氮化镓纳米线的方法，其特征在于包括以下步骤：

[0006] (1)衬底的制备：将石墨片依次使用1000目、2000目、5000目砂纸分别进行打磨5-10分钟，然后使用丝绸抛光布抛光5-10分钟，使表面粗糙度Ra≤0.8；将抛光好的石墨片依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟；然后在温度恒定设置60℃-100℃的鼓风干燥箱中烘干至少30min，使表面保持干燥清洁，作为制备材料的衬底；

[0007] (2)前驱体的制备：分别称取金属镓与碳粉，质量比为2:1，得到制备材料的前驱体；

[0008] (3)将步骤(2)制备的前驱体分别放入刚玉坩埚中，步骤(1)制备的石墨衬底置于前驱体的上方，再将坩埚放入等离子增强化学气相系统(PECVD)的反应腔内，设置如下参3 3
数：反应气压30Pa-50Pa；反应温度825℃-875℃；N2流速10-40cm/min；H2流速5-10cm/min；
射频电源功率80W-120W。反应1h-3h，得到氮化镓纳米线。

[0009] 本发明具有以下优点和效益：

[0010] (1)采用成本低廉的石墨片作为衬底，经过预处理的石墨片表面具有大量活性位点，有利于氮化镓纳米线的形核和生长，通过不使用催化剂的方式制备出氮化镓纳米线，有效避免了催化剂对氮化镓纳米线的形貌及性能的影响，提高氮化镓的纯度，同时大大降低了制备成本，简化了工艺流程。

[0011] (2)无毒无污染的离子态N为氮源，在低真空度条件下制备出长度5-10μm，直径50nm左右的单晶氮化镓纳米线。

[0012] (3)制备的氮化镓纳米线具有典型的纳米线光致发光(PL)特征。280nm激发波长下，在365nm处表现出本征激发光，对应带隙3.39eV。

[0013] (4)氮化镓纳米线场发射性能优异，当定义开启电场为10μA/cm2时其开启电场为4.8V/μm。

附图说明

[0014] 图1为实施例1制备的氮化镓纳米线的SEM图谱

[0015] 图2为实施例2制备的氮化镓纳米线的SEM图谱

[0016] 图3为实施例3制备的氮化镓纳米线的SEM图谱

[0017] 图4为实施例2制备的氮化镓纳米线的XRD图谱

[0018] 图5为实施例2制备的氮化镓纳米线的Raman图谱

[0019] 图6为实施例2制备的氮化镓纳米线的PL图谱

[0020] 图7为实施例2制备的氮化镓纳米线的场发射电流密度图谱(插图为对应FN曲线)具体实施方式：

[0021] 下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点，但本发明决不仅局限于以下实施例。实施例中所涉及的主要参数的设置如下表所示：

[0022]

[0023] 本实验以石墨为衬底，对其表面进行一系列的预处理工作，使表面形成有利于GaN形核的位点，进一步完成无催化剂制备GaN纳米线。对石墨片表面进行打磨和抛光从而降低表面粗糙度，得到晶格完整的表面；超声清洗以去除石墨表面的各种杂质。在实验升温过程中，石墨表面的部分位点被氧化为氧化石墨，致使石墨表面带有官能团(例如羟基、羧基)，这些官能团所在位置活化能较高，促进GaN在此形核。

[0024] 实验反应过程中，在PECVD的射频作用下，N2和H2转化为活跃的离子态的N和H。H原子和C原子与腔体内残余的氧气结合避免Ga2O3的生成，N原子与Ga原子结合生成GaN，从而得到GaN纳米线。反应过程可以表示为：

[0025] Ga+C+H++N+→GaN+H2O+COX

[0026] 产物的扫描电镜图所用仪器为Quanta-250型扫描电子显微镜；X射线衍射(XRD)图谱采用的仪器为Bruker D-8Advance衍射仪(Cu Kα辐射， )；拉曼光谱仪型号为Renishaw激光显微共聚焦拉曼光谱仪；利用F-7000荧光光谱仪测试光致发光(PL)性能；利用场发射测试系统测试场发射性能。

[0027] 实施例1

[0028] (1)将石墨片依次使用1000目、2000目、5000目砂纸进行分别打磨10分钟，然后使用丝绸抛光布抛光5分钟，使表面粗糙度Ra≤0.8；将抛光好的石墨片依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟；然后在温度恒定设置60℃-100℃的鼓风干燥箱中烘干30min后取出，作为制备材料的衬底；

[0029] (2)称取0.1g金属镓与0.05g碳粉，得到制备材料的前驱体；

[0030] (3)将步骤二制备的前驱体分别放入刚玉坩埚中，步骤一制备的石墨衬底置于前驱体的上方，再将坩埚放入等离子增强化学气相系统(PECVD)的反应腔内，设置如下参数：反应气压48Pa；反应温度825℃；N2流速20cm3/min；H2流速10cm3/min；射频电源功率80W。反应3h后得到氮化镓纳米线。

[0031] 实施例2

[0032] (1)将石墨片依次使用1000目、2000目、5000目砂纸进行分别打磨10分钟，然后使用丝绸抛光布抛光10分钟，使表面粗糙度Ra≤0.8；将抛光好的石墨片依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟；然后在温度恒定设置60℃-100℃的鼓风干燥箱中烘干30min后取出，作为制备材料的衬底；

[0033] (2)称取0.1g金属镓与0.05g碳粉，得到制备材料的前驱体；

[0034] (3)将步骤二制备的前驱体分别放入刚玉坩埚中，步骤一制备的石墨衬底置于前驱体的上方，再将坩埚放入等离子增强化学气相系统(PECVD)的反应腔内，设置如下参数：反应气压48Pa；反应温度850℃；N2流速20cm3/min；H2流速10cm3/min；射频电源功率80W。反应3h后得到氮化镓纳米线。

[0035] 实施例3

[0036] (1)将石墨片依次使用1000目、2000目、5000目砂纸进行分别打磨8分钟，然后使用丝绸抛光布抛光8分钟，使表面粗糙度Ra≤0.8；将抛光好的石墨片依次使用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗10分钟；然后在温度恒定设置60℃-100℃的鼓风干燥箱中烘干30min后取出，作为制备材料的衬底；

[0037] (2)称取0.1g金属镓与0.05g碳粉，得到制备材料的前驱体；

[0038] (3)将步骤二制备的前驱体分别放入刚玉坩埚中，步骤一制备的石墨衬底置于前驱体的上方，再将坩埚放入等离子增强化学气相系统(PECVD)的反应腔内，设置如下参数：反应气压48Pa；反应温度875℃；N2流速20cm3/min；H2流速10cm3/min；射频电源功率80W。反应3h后得到氮化镓纳米线。