氨化反应自组装GaN纳米线
山东师范大学半导体研究所,山东师范大学半导体研究所,山东师范大学半导体研究所,山东师范大学半导体研究所 山东济南250014 ,山东济南250014 ,山东济南250014山东师范大学物理系,山东济南250014 ,山东济南250014
摘 要:
通过氨化射频溅射工艺生长的纳米Ga2 O3薄膜 , 在石英衬底上反应自组装生成了高质量的GaN纳米线。用X射线衍射 (XRD) 、透射电镜 (TEM) 和高分辨电镜 (HRTEM) 对样品的组分、形貌和结构进行了分析。生成的GaN纳米线平直光滑 , 其直径为 2 0~ 12 0nm , 长可达 5 0 μm;纳米线为高质量的单晶六方纤锌矿GaN , 沿 [110 ]方向生长。用此工艺制备GaN纳米线 , 简单新颖 , 不需要模板或催化剂的辅助作用
关键词:
中图分类号: TB383
作者简介:杨利 (Email:yangcreate@yahoo.com) ;
收稿日期:2002-09-20
基金:国家自然科学基金资助项目 ( 90 2 0 10 2 5 ;60 0 710 0 6);
Self-Assembly of GaN Nanowires Through Ammoniating Reaction
Abstract:
High quality gallium nitride nanowires were self assembled on quartz through ammoniating nano Ga 2O 3 thin films deposited by rf magnetron sputtering. X ray diffraction (XRD) , transmission electron microscopy (TEM) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) were used to characterize the composition, morphology and structures of the samples. The formed straight and smooth GaN nanowires have diameters of 20 to 120 nm and lengths up to 50 μm. The nanowires are high quality single crystal hexagonal wurtzite GaN and possess the growth direction of . This is a simple and novel technique of fabricating GaN nanowires without the assistance of a template or catalyst.
Keyword:
nano Ga 2O 3 thin film; GaN nanowires; rf magnetron sputtering; ammoniating;
Received: 2002-09-20
氮化镓 (GaN) 是一种优异的宽带隙 Ⅲ-Ⅴ 族半导体材料, 室温下禁带宽度为3.4 eV, 击穿电压和饱和电子漂移速率都高出Si和GaAs, 是制作蓝、 绿发光二极管 (LED) , 激光二极管 (LD) 和高温大功率集成电路的理想材料
1 实验方法
实验通过两步生长模式制备高质量的GaN纳米线: (1) 射频磁控溅射仪生长纳米Ga2O3薄膜; (2) 在管式石英电炉中氨化反应自组装GaN纳米线。
1.1 纳米Ga2O3薄膜的制备
纳米Ga2O3薄膜由JCK-500A射频磁控溅射仪制备。 溅射用靶为Ga2O3 (纯度为99.999%) , 工作气体为高纯Ar气 (99.999%) 和N2气 (99.999%) 。 实验中采用石英玻璃为衬底。 室温下溅射时, 真空室的气压始终保持在1 Pa, Ar∶N2=10∶1 (V/V) , 溅射仪的功率为150 W, 溅射频率为13.56 MHz, 时间为1.5 h。 所制备的Ga2O3薄膜厚约为500 nm。
1.2 氨化反应自组装GaN纳米线
先向管式电炉通氮气5 min, 流量为500 ml·min-1, 用其赶走电炉中驻留的空气, 待炉温升至1000 ℃, 把溅射好的样品置于石英舟中送入电炉恒温区的中央; 然后通NH3 (99.999%) 10 min, 流量为300 ml·min-1, 使纳米Ga2O3薄膜与NH3充分反应; 最后通氮气 5 min, 流量仍为500 ml·min-1, 以赶走炉中的NH3。 关闭电源和进气阀门, 待反应产物在氮气气氛下冷却至室温后, 取出样品, 发现在石英衬底上的薄膜变成了浅黄色。
1.3 样品测试
将反应生成的薄膜从衬底上剥离下来, 逐一进行测试分析。 X射线粉末衍射是常温下在Rigaku (Tokyo, Japan) D/max-rB型X射线衍射仪上进行的, 采用Cu靶Kα线 (40 kV 100 mA) 测试; 样品的形貌和结构采用Hitachi (Tokyo, Japan) H-800透射电镜 (TEM) 和Philip (the Netherlands) Tecnai 20U-TWIN高分辨电镜 (HRTEM) 进行表征。
2 结果与讨论
2.1 X射线衍射 (XRD) 分析
石英衬底生成的产物为六方GaN。 图1是1000 ℃条件下在NH3气氛中氨化10 min后样品的X射线衍射图谱。 图中的衍射峰 (100) , (002) , (101) , (102) , (110) , (103) , (200) 和 (112) 分别对应着六方晶系GaN相应衍射面的密勒指数, 说明氨化反应生成的浅黄色薄膜为六方GaN晶体。 XRD图谱中没有出现Ga2O3的衍射峰, 证实纳米Ga2O3薄膜经高纯NH3氨化10 min后, 反应生成了六方GaN。
2.2 透射电镜 (TEM) 分析
图2是样品剥离下来之后, 在透射电镜下观察到的TEM照片。 从照片上可以看到, 整个薄膜由一维线状结构交织而成, 生成的GaN纳米线平直光滑, 其长度大多为20 μm左右, 长者可达50 μm。
为弄清GaN纳米线的晶体结构, 选取了大量的单根纳米线进行研究。 图3为其中一任意选取的GaN纳米线的高倍TEM照片, 其直径约为50 nm, 表面光滑, 无弯曲和缠绕。 其中插图是纳米线的选区电子衍射 (SAED) 模式, 衍射斑点排列十分规则, 与六方GaN
图1 生成样品的X射线衍射图谱
Fig.1 XRD spectrum of formed sample
图2 氨化反应组装生成的GaN纳米线的TEM图象
Fig.2 TEM image of GaN nanowires assembled through ammoniating reaction
2.3 高分辨电镜 (HRTEM) 分析
图4是一根GaN纳米线的高分辨电镜图像, 它说明反应组装生成的氮化镓一维纳米结构是实心的, 而不是中空的管状结构, 即生成的为GaN纳米线而不是GaN纳米管。 图4中的插图是GaN纳米线的局部晶格放大图像, 它显示纳米线的晶面间距约为0.262 nm, 沿[110]方向生长, 这进一步证实了GaN纳米线的单晶结构。 高分辨电镜观察到的GaN纳米线晶体结构和生长方向与Chen等
图3 GaN纳米线的高倍TEM照片及其选区电子衍射 (SAED) 图像
Fig.3 High magnification TEM image of a GaN nanowire and its SAED pattern
图4 GaN纳米线的高分辨图像和局部晶格放大图像
Fig.4 HRTEM image of GaN nanowire and local enlarged lattice image
2.4 形成机制探讨
在以往有关GaN纳米线制备的报道中
3 结 论
1. 以纳米Ga2O3薄膜为Ga源, 高纯NH3为N源, 采用射频磁控溅射和高温氨化反应自组装两步工艺, 在石英衬底上成功地制备出了高质量的GaN纳米线。
2. 生成的GaN纳米线平直、 光滑, 其直径在20~120 nm范围, 长可达50 μm。 电子衍射模式说明生成的纳米线为六方纤锌矿结构单晶GaN。
3. 采用该工艺方法制备GaN纳米线, 纯度高, 方法简单, 避免了由模板限制或催化剂引入的污染, 这对于制造纳米尺度的光电子器件和一维GaN纳米材料的基础研究具有十分重要的意义。
参考文献
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