β-Ga2O3纳米材料的生长与表征

作     者：宋鹏宇 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方志来

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：β-Ga2O3纳米结构 热退火氧化法 VLS和VS机制 GaN纳米晶 自洽生长 

摘      要：β-Ga203是一种超宽禁带半导体材料(禁带宽度为4.9eV),具有很好的电学性质和光学性质,其击穿电场强度和巴利加优值比GaN和SiC更大,对可见光高度透明,在场效应晶体管、紫外透明电极、高温气体传感器和日盲光电探测器等方面应用广泛。本文采用气-液-固(VLS)机制和气-固(VS)机制,通过热退火镀有金催化剂的GaN衬底制备出不同结构的β-Ga203纳米材料,并用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、阴极荧光(CL)对样品的形貌、成分、微观结构和发光特性进行分析。讨论了实验参数(温度、催化剂、氧化时间)对热退火氧化法生长β-Ga203纳米材料形貌和结构的影响。提出了一种新的生长模式,即GaN籽晶自洽生长,利用此方法生长出了沿(-201)方向的单晶β-Ga203纳米线。本文的主要内容和研究结果包括以下几个方面:1、在高温常压条件下(1150 ℃)热退火氧化镀有8nm Pt催化剂的GaN衬底1h,在GaN衬底上制备出高密度的纳米线和纳米带,纳米线的直径为几十纳米,纳米带的宽度为上百纳米,纳米线和纳米带的长度均达到几十微米。通过XRD和TEM表征得出制备的纳米线和纳米带为单斜结构的β-Ga203,且晶体质量高,最优生长方向为(-201)面。2、分析讨论了实验参数(温度、催化剂、氧化时间)对β-Ga2O3纳米材料形貌与结构的影响。当退火温度小于1000 ℃时,几乎不能制备出β-Ga203纳米线、纳米带和纳米片等结构,这主要是因为GaN材料在1000℃以下不能快速有效地分解来提供β-Ga203纳米材料生长所需要的Ga源。当温度大于1050℃时,开始有β-Ga203纳米线、纳米带和纳米片等结构生成,且在一定范围内温度越高晶体质量越好;催化剂是热退火GaN衬底制备β-Ga203纳米结构所必须的条件。在催化剂颗粒尺寸较小时,产物主要是纳米片,是VLS机制和VS机制共同作用的结果。在催化剂颗粒尺寸较大时开始生成纳米线,在一定范围内,随着Pt颗粒尺寸的增加纳米线的直径增大;在1150℃热退火GaN衬底时,最初生成纳米线,但随着氧化时间增加,纳米线开始横向生长转化成纳米带。3、提出了一种新的模式,生长单晶(-201)β-Ga2O3纳米线,即GaN纳米晶包裹Pt颗粒自组织生长法。首先从理论上论证了新生长模式的可行性,单斜β-Ga203与六角 GaN 的外延关系为(-201)β-Ga203‖(0001)GaN,(201)β-Ga203‖(1-100)GaN,(010)β-Ga203‖(11-20)GaN,且(-201)β-Ga2O3 和(0001)GaN 晶格失配度很小。然后通过多次实验摸索出一套实验参数,利用GaN纳米晶包裹Pt颗粒自组织生长法制备出了单晶(-201)β-Ga2O3 纳米线,并用 XRD、XPS、SEM-DES、TEM 和 Raman等手段进行了证实。4、制备出不同的β-Ga203纳米结构,如锯齿状结构、孪晶结构和旗子结构,并初步研究探索了这些结构形成的原理。