[发明专利]一种氧化镓相结纳米柱阵列及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氧化镓相结纳米柱阵列及其制备方法，包括衬底，位于衬底上的Ga₂O₃籽晶层，位于Ga₂O₃籽晶层背离衬底层方向的有序的Ga₂O₃相结纳米柱阵列，所述Ga₂O₃纳米柱阵列由α‑Ga₂O₃和β‑Ga₂O₃构成相异质结构成。本发明通过在衬底上覆盖一层氧化镓籽晶层，利用水热法在籽晶层上生长GaOOH纳米柱阵列，并进行400℃脱水形成α‑Ga₂O₃纳米柱阵列，通过高温快速退火处理的方式在α‑Ga₂O₃纳米柱的周围形成一层β‑Ga₂O₃，获得α‑Ga₂O₃/β‑Ga₂O₃相结纳米柱阵列。本发明的制备方法操作简单、成本低、重复性好，纳米柱阵列分布均匀、直径和长度可控；通过构建α/β‑Ga₂O₃相结，在界面处形成第二类型的能带排列，能使载流子(电子空穴对)快速、有效的分离，同时纳米柱阵列具有高比表面积的优势，可应用于深紫外光电器件。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种氧化镓相结纳米柱阵列及其制备方法。

技术背景

半导体材料不同晶体结构的导带和价带位置会有所不同，若其中一相的导带与价带位置均比另一相要高，就会在半导体材料的界面处形成第二类型的能带排列，能使载流子(电子空穴对)在界面处发生分离，电子流向能量低的一侧，空穴迁移至能量高的一侧，使电子空穴对实现快速、有效地分离，其在光电器件、光催化和光电化学分解水中展现出巨大的应用前景。

氧化镓是一种n型的直接带隙的宽禁带半导体材料，其带隙约为4.9eV，具有高的化学稳定性和热稳定性，在日盲紫外光电探测器、气体传感器、光催化、太阳能电池等领域具有广泛的应用。氧化镓(Ga₂O₃)有六种同分异构体，分别为α，β，γ，ε，κ和δ相，1)、α-Ga₂O₃属于三方晶系(Trigonal)，空间群为R-3c，晶格常数为α＝β＝90°，γ＝120°，为刚玉结构，α-Ga₂O₃带隙较其它相要稍大；2)、β-Ga₂O₃属于单斜晶系(Monoclinic)，空间群为C2/m，晶格常数α＝γ＝90°，β＝103.8°，β-Ga₂O₃的晶体为阴离子密堆积结构，Ga有两种不同的位置，分别被O原子包围构成正四面体和正八面体，O则有三种不同的位置；3)、γ-Ga₂O₃属于立方晶系(Cubic)，空间群为Fd-3m，晶格常数为α＝β＝γ＝90°，为尖晶石结构，相比与标准的尖晶石结构如MgAl₂O₄(阴阳离子比为4∶3)，Ga₂O₃的阴阳离子比仅为3：2，表现为Ga阳离子空位缺陷；4)、ε-Ga₂O₃属于六角晶系(Hexagonal)，空间群为P63mc，晶格常数为α＝β＝90°，γ＝120°；5)、κ-Ga₂O₃属于斜方晶系(Orthorhombic)，空间群为Pna2₁，晶格常数为6)、δ-Ga₂O₃属于立方晶系(Cubic)，空间群为Ia-3，晶格常数为α＝β＝γ＝90°，为方铁锰矿结构。在这些同分异构体中，β-Ga₂O₃最稳定，其他相均为亚稳相，对于粉末材料这些亚稳相在一定的温度下都能转变为稳定的β-Ga₂O₃。例如：α-Ga₂O₃在温度700℃以上就转变为β-Ga₂O₃，γ，ε和κ相则分别在550℃，500℃和500℃的温度条件下转变为β相，而δ相为中间相，其在400℃转化为ε相，再在500℃转变为β相。然而它们的逆过程也是可以实现的，一般都是通过施加高压，如β-Ga₂O₃在4GPa的外力作用下可以转变为α-Ga₂O₃，而α-Ga₂O₃在37GPa的外力作用下则可以转变为ε-Ga₂O₃。因此利用Ga₂O₃材料是构建第二类型的能带排列是合适的，也是非常有意义的。