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氨化Si基ga2o3/Mo薄膜制备一维gaN和ga2o3纳米结构的研究

氨化Si基Ga2O3/Mo薄膜制备一维GaN和Ga2O3纳米结构的研究

引用

作者：张士英山东师范大学

学位级别：硕士

本文采用氨化磁控溅射不同中间层厚度的gao／Mo薄膜的方法在硅衬底上合成了gaN和gao纳米结构。对其结构、形貌、组分和发光特性进行了深入的分析和研究，并对其发光机制和生长机制进行了初步探索，研究了不同生长条件对制备gaN和gao纳... 详细信息

本文采用氨化磁控溅射不同中间层厚度的gao／Mo薄膜的方法在硅衬底上合成了gaN和gao纳米结构。对其结构、形貌、组分和发光特性进行了深入的分析和研究，并对其发光机制和生长机制进行了初步探索，研究了不同生长条件对制备gaN和gao纳米结构的影响。所取得的主要研究结果如下： 1．合成一维gaN纳米结构利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备gao／Mo薄膜(Mo和gao膜的厚度分别30nm和500nm)，接着在氨气气氛中退火制备gaN纳米结构。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等测试手段详细分析了gaN纳米材料的结构、组分和形貌特性。研究表明：合成的纳米结构为六方纤锌矿结构的gaN;不同的氨化温度、氨化时间对合成gaN纳米结构都有很大影响，表现为形貌各异的纳米线、纳米棒。 ***光学特性和生长机制的探索室温下，用波长为325nm光激发样品表面，显示出较强的紫外发光峰(371．5nm处)。改变实验条件，发光峰位置都没有随之发生移动，只是发光强度发生了变化。由于合成的大部分纳米结构的直径均大于gaN的波尔激子半径(11nm)，超出了量子限制效应起作用的范围，因此，对于371．5处的带边发光峰，与文献报道的gaN体材料的发光峰相比，没有发生蓝移。gaN纳米结构的生长机制可归结为气体—固体(VS)生长机制，在高温退火过程，Mo易于从gao获得氧，这一过程一方面使Si表面的表面能分布不再均匀，另一方面加速了gao的氮化，对gaN纳米线的生长起到重要作用。 3．合成一维gao纳米结构我们利用磁控溅射系统先在Si衬底上制备gao／Mo薄膜(Mo和gao膜的厚度分别为300nm和500nm)，接着在氨气气氛中退火制备gao纳米结构。研究表明：合成的纳米结构为β-gao;不同的退火温度、退火时间对gao／Mo薄膜合成gao纳米结构都有很大影响，表现为形貌各异的纳米线、纳米棒。 ***光学特性和生长机制的探索室温下，用波长为325nm光激发样品表面，显示出两个明显的蓝光发光峰，分别位于411．5 nm和437．6 nm。β-gao纳米结构发光机制可用空位的存在来解释。在受激后，由镓空位形成的受主上会产生一个空穴，对应的由氧空位形成的施主上会产生一个电子，施主上的电子与受主上的空穴复合就可以发射出一个蓝光光子。有关的发光机制还在近一步的研究中。β-gao纳米结构的生长机制可归结为气体—固体(VS)生长机制，我们认为Mo颗粒可能作为晶胚的成核点，为纳米结构的生长奠定了基础。

关键词： gaN纳米结构 β-ga2o3纳米结构磁控溅射氨化

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β-ga2o3纳米材料的生长与表征

β-Ga2O3纳米材料的生长与表征

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作者：宋鹏宇厦门大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： 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

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