[发明专利]一种制备氮化铝和氮化镓纳米棒异质结的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构生长领域，是一种制备氮化铝和氮化镓纳米棒异质结阵列的方法。

背景技术

近年来，一维纳米结构纳米结构因为其尺寸、形状和具有优异的电、光、磁的物性，在光学、电子学、磁学、催化、生物探测、药物输送运等诸多领域具有广泛应用前景。

氮化铝、氮化镓为直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度分别为为6.2和3.4电子伏，被称为第三代半导体材料，具有高的热导率，高熔点，化学稳定，较小的的电子亲和能，带间跃迁发射波长可从蓝光深入到深紫外波段，可广泛应用于光电器件。

文献中报道的氮化铝、氮化镓异质结构多为平面薄膜异质结构，即二维量子阱异质结构，因为不同物质晶格常数不同，异质结构中有大量刃型位错等缺陷。与薄膜和块体异质结相比，一维纳米异质结因为小尺寸效应，可以将不同晶格常数的物质组成无位错结点；也因为一维纳米异质结具有小尺寸、高的表面体积比和量子局限效应，可具有不同的性能。

一维的氮化镓和氮化铝异质结构制备，用化学气相沉积法制备氮化铝纳米阵列，纳米异质结的阵列制备在文献中已有报道。

2010年J.K.Jian等人用化学气相沉积法合成了纳米柱、纳米棒阵列，并讨论了产物形貌的变化，参阅J.Alloys Compd.第503卷第L34页。2003年胡征小组合成了多面氮化铝纳米管，参阅J.Am.Chem.Soc.第125卷第10176页。2006年J.Yang等人用化学气相沉积法合成了高致密的氮化铝纳米阵列，参阅Nanotechnology第17卷第s321页。

2010年K Hestroffer等人用等离子体辅助气象外延法制备了在氮化铝外包覆氮化镓的纳米柱异质结构(核壳结构纳米柱异质结)，参阅Nanotechnology第21卷415702页。

2009年Young Joon Hong等人用低压金属有机气相外延生产制备了氮化镓、氧化锌同轴纳米管异质结阵列，进行了结构分析和光学性能的测量，参阅New J.Phys第11卷125021页。

以上报道涉及了氮化铝纳米阵列的制备，氮化铝外包覆氮化镓的纳米柱异质结构的制备，氮化镓、氧化锌同轴纳米管异质结阵列的制备。

本发明采用化学气相沉积工艺用两步法合成了氮化铝和氮化镓异质结阵列，氮化铝和氮化镓异质结是核壳结构的竖直生长的纳米线，整体阵列产物具有独立自支撑片状结构，是氮化镓包覆氮化铝，具有阵列的特点。本发明中所制备的独立自支撑异质结阵列，使其在光电器件领域有重大的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学气相沉积制备氮化铝和氮化镓异质结的方法。

本发明是通过以下工艺实现的：

用化学气相沉积(CVD)的方法用两步法制备氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的异质结。第一步，用无水三氯化铝(AlCl₃)和氨气(NH₃)作为反应源生长氮化铝(AlN)纳米棒阵列；第二步，在氮化铝(AlN)纳米阵列上镀金(Au)作为催化剂，用金属镓(Ga)和氨气作为反应源在氮化铝(AlN)纳米棒阵列上生长氮化镓(GaN)的异质结。

第一步：

在一炉管长度为100cm的水平管式炉中，将装有一定量(纯度为质量百分比98％)无水AlCl₃粉末的陶瓷舟放置到水平管式炉的上游距管口6cm-9cm处，整个管内壁包一层用浓盐酸和酒精棉球擦拭干净并干燥后的石墨纸作为管内壁的保护和衬底，密封水平管式炉后抽真空到一定程度，然后在Ar氛围中升到730℃-800℃，通入流量200sccm的NH₃，同时Ar流量控制在100sccm，继续升温到850℃，恒温反应四小时，最后在Ar气保护下自然冷却到室温，在衬底上得到大量独立自支撑的白色片状氮化铝。

所得氮化铝薄膜表面形貌为纳米阵列，宏观上表现为独立自支撑的白色片状氮化铝，最大尺寸为3cm×4cm左右。

第二步：

将片状氮化铝用小型溅射仪镀一层Au作为催化剂。在前一步实验所用的水平管式炉中，将装有金属Ga(纯度为质量百分比99.99％)的陶瓷舟放置在水平管式炉的中间作为反应源，将镀Au催化剂的片状AlN作为衬底放置在下游距源15cm-20cm的地方，密封水平管式炉后抽真空到一定程度，然后在Ar氛围中升到1000℃-1100℃，通入流量100sccm-200sccm的NH₃，恒温反应1-2小时，最后在Ar气保护下自然冷却到室温，在衬底上得到氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的纳米棒异质结的阵列。