[发明专利]漏斗型氮化镓纳米线及其制备方法

说明书

本发明提供了一种漏斗型氮化镓纳米线及其制备方法，涉及纳米材料技术领域。本发明提供的漏斗型氮化镓纳米线的制备方法，在反应器内将镓源、氨气在负载有特定厚度催化剂的衬底上进行第一次化学气相沉积，在高镓源/氨气气流比条件下使得纳米线按照VLS模式和VS混合模式生长，制备得到了顶端带有催化剂颗粒的棱锥状纳米线；然后改变化学气相沉积条件，在低镓源/氨气气流比条件下，利用纳米线顶端的催化剂实现VLS生长，在棱锥状纳米线顶端继续生长出圆柱状纳米线，制备得到漏斗型氮化镓纳米线。本发明的制备方法简单快捷，打破了氮化镓纳米线单一的形态结构。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其是涉及一种漏斗型氮化镓纳米线及其制备方法。

背景技术

氮化镓纳米线属于一维纳米材料，其几何形状在两个维度上对电子、空穴和光子产生限制，导致纳米线具有了一些体材料所不具备的特殊性质，使其成为了制造纳米电子器件和光电器件的潜在基础组件。氮化镓纳米线不仅具有优异的电子传输特性，还具有体材料所不具备的显著的表面导电性。

目前，使用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)方法制备氮化镓纳米线通常可以得到两种类型的纳米线，一种是按照VLS模式生长出的圆柱状纳米线，如图1所示，另一种是按照VS模式生长出的尖锥状及棱柱状纳米线，如图2及图4所示。

采用气-液-固(VLS,Vapor-Liquid-Solid)生长机制制备氮化镓纳米线，其生长原理如图3所示。通常使用高固溶度的镍、金等金属作为催化剂材料，预先淀积在衬底表面形成薄膜。生长过程中在高温的作用下，金属薄膜会熔化成为微小的金属液滴。此时通入含有镓元素和氮元素的气态反应源，在高温下分解出的镓原子和氮原子持续进入到催化剂液滴中，达到过饱和后在金属液滴下方析出固态氮化镓晶体。因此在整个生长过程中，VLS机制的一个显著的特点是金属液滴总是位于纳米线的顶端。

由于VLS生长机制下，纳米线的直径由金属液滴的半径决定，因此纳米线呈现细长的圆柱状形态，纳米线不发生径向生长，因此直径均匀，无法生长得到顶端尖细而底部粗大的锥形纳米线。

另一种纳米线的生长机制是气-固(VS,Vapor-Solid)。VS机制与VLS机制相比，缺少了L代表的液态金属催化剂，是一种无催化剂生长技术。从理论上来看，只要能够使反应气体达到合适的过饱和度和提供成核位置，利用VS机制可以制备得到任何材料的纳米线。VS生长机制与VLS相比更加简单，由于缺少了催化剂，因而不存在复杂的多种物质的界面，只有气态反应物和固态衬底界面，晶体材料将在该界面处成核。晶体成核后又引入两种界面：气态和晶体界面、以及晶体和衬底界面。气态和晶体界面决定了晶体成核后是否能够继续生长形成纳米线，而晶体和衬底界面决定了纳米线的晶体质量。

VS模式下生长的纳米线顶端不存在催化剂颗粒，纳米线在径向和轴向上同时生长，因此纳米线直径可能不均匀，表面形貌与VLS机制相比质量较差。对于纳米线形貌的控制相对困难。

如图4所示，使用VLS生长模式通常只能得到细长圆柱型纳米线(图4中的b)，使用VS生长模式可以得到棱锥和棱柱状纳米线(图4中的a和c)。但是由于VS生长模式的特点，无法通过控制反应参数实现在棱锥或棱柱状纳米线上面继续生长直径较细的纳米线形成“漏斗”形态。同时由于VS模式下生长的纳米线顶端没有催化剂颗粒。因此也无法使用VLS模式在纳米线上面继续生长圆柱状纳米线。因此目前没有看到这种“漏斗”型氮化镓纳米线的相关报道。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种漏斗型氮化镓纳米线的制备方法，该方法简单快捷，能够制备得到“漏斗”形态的氮化镓纳米线。

本发明的第二目的在于提供一种漏斗型氮化镓纳米线。

第一方面，本发明提供了一种漏斗型氮化镓纳米线的制备方法，包括以下步骤：