[发明专利]一种生长在GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及(In)GaN纳米柱、能源与催化领域，具体公开了一种GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。该GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱包括衬底、衬底上的InGaAsN缓冲层层、生长在InGaAsN层上的(In)GaN纳米柱。本发明采用GaAs作为(In)GaN纳米柱衬底，显著提高了纳米柱电极的导电性，有效降低了衬底与纳米柱之间的界面阻抗，有利于增强载流子输运性能，大幅度提高纳米柱的光电性能；与此同时，新型的(In)GaN纳米柱晶体质量好，禁带宽度可调，比表面积大，可实现可见光光谱响应，适用于光电解水产氢。

技术领域

本发明涉及(In)GaN纳米柱、能源与催化领域，特别涉及一种生长在GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。

背景技术

氢能是一种能量密度高、绿色环保的清洁能源。氢燃烧热值是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；同时，氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源，被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。光电化学(Photoelectrochemical，PEC)分解水制氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，是目前制备氢气最有前景的手段之一。

近年来，(In)GaN纳米柱在PEC分解水中具有重要的应用前景，主要由于(In)GaN带隙从0.68eV到3.4eV可调，可实现宽光谱范围内的光电解水；另外(In)GaN电子迁移率大，导电性强，能有效降低光解水的成本；其次，(In)GaN纳米柱自身比表面积大，能增强光吸收，能提供更多的反应活性位点。更重要的是纳米柱结构导致载流子迁移距离缩短，大大降低了复合速率，有利于光电解水产氢；因此，(In)GaN纳米柱是理想的光电解水制氢材料。

然而，(In)GaN纳米柱生长主要基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石10¹⁴Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)问题。另外比如单晶Si作为衬底时，生长的(In)GaN纳米柱与Si衬底之间会形成SiN_x绝缘层。该绝缘层不仅会增大载流子输运电阻；同时当(In)GaN纳米柱电极在电解质中进行光电解水，该绝缘层容易被刻蚀掉，使得(In)GaN纳米柱会发生严重的光腐蚀，造成光电性能显著降低。因此寻找一种能降低界面电阻、提高(In)GaN纳米柱光电极光电性能的衬底材料，对(In)GaN纳米柱光电解水制氢意义重大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。III-V族GaAs具有高载流子迁移率以及直接带隙等优良性质，作为衬底材料能增强载流子输运，有效降低了纳米柱与衬底表面之间的较大阻抗，能显著提高(In)GaN纳米柱的光电转换效率，同时使用稳定性增强。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱，包括GaAs衬底、衬底上的InGaAsN缓冲层、生长在缓冲层上的(In)GaN纳米柱。

进一步地，所述InGaAsN缓冲层厚度为200～500nm。

进一步地，所述生长在InGaAsN缓冲层上的(In)GaN纳米柱为GaN纳米柱、InGaN纳米柱、InN纳米柱、InGaN/GaN核/壳结构纳米柱和InN/InGaN核/壳结构纳米柱中的至少一种。

进一步地，所述生长在InGaAsN缓冲层上的(In)GaN纳米柱的高度为50～2000nm，直径为15～500nm。

一种以上所述的GaAs衬底上的(In)GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：