氮化鎵與碳化硅納米線的CVD法制備與表征.pdf

1、作為兩種性能優(yōu)越的寬帶隙半導(dǎo)體材料，氮化鎵(GaN)與碳化硅(SiC)材料具備了卓越的物理化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)以及光學(xué)性質(zhì)，二者的塊體材料在被應(yīng)用的過(guò)程中，已經(jīng)顯現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。由于-維納米材料具有尺寸效應(yīng)、量子限制效應(yīng)、表面效應(yīng)等現(xiàn)象，而表現(xiàn)出特殊的物理化學(xué)性能，GaN和SiC材料的研究早已不止步于塊體材料，因而-維GaN和SiC納米材料的制備及其性能研究已成為研究者的科研熱點(diǎn)。 在對(duì)-維GaN和SiC納米材料的研究過(guò)程中，開發(fā)出一

2、些制備其-維納米線的方法。然而，在大多數(shù)制備過(guò)程仍然存在添加金屬催化劑，反應(yīng)條件苛刻，操作復(fù)雜，所需設(shè)備和原料昂貴等缺點(diǎn)。因此，我們嘗試采用高溫管式爐，在不添加任何金屬催化劑的條件下，通過(guò)簡(jiǎn)單易行的操作來(lái)制備-維GaN納米線和SiC納米線。本研究的重點(diǎn)為，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)和多重氣固反應(yīng)分別制備-維GaN納米線和SiC納米線，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究反應(yīng)溫度、氣流、反應(yīng)物等對(duì)產(chǎn)物的影響，從而總結(jié)出最佳的制備條件，并結(jié)合表征結(jié)果，提出

3、-維GaN納米線和SiC納米線的生長(zhǎng)機(jī)理，并對(duì)其中出現(xiàn)的特殊相貌做以分析。 以金屬鎵(Ga)和氨氣(NH3)為原料利用CVD法制備-維GaN納米線時(shí)，最佳反應(yīng)溫度為900℃，且氨氣氣流恒定時(shí)，可以在硅片襯底上收集到大量直徑約為60nm，長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米的納米線，納米線表面光滑，分布均勻。當(dāng)NH3氣流不穩(wěn)定時(shí)，則會(huì)生成大量有氧化物覆蓋的具有芯鞘結(jié)構(gòu)的粗大纖維結(jié)構(gòu)，除此，石英管內(nèi)殘留的氧氣會(huì)導(dǎo)致N和Ga結(jié)合的不夠充分，從而影響氮化鎵

4、納米線的產(chǎn)量。根據(jù)以上分析的結(jié)果，我們提出了用自催化氣-固-液(VLS)生長(zhǎng)機(jī)制來(lái)解釋GaN納米線的生長(zhǎng)機(jī)理。 我們以硅片、石墨和二氧化硅(SiO2)粉末為原料，通過(guò)多重氣固(VS)反應(yīng)成功地制備出了-維碳化硅(SiC)納米線。通過(guò)X射線衍射儀(XRD)分析，表明生成產(chǎn)物為立方結(jié)構(gòu)的β-SiC。利用掃描電子顯微鏡(SEM)，透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察，該-維SiC納米線的直徑為30-50nm

5、，長(zhǎng)度可達(dá)幾十甚至上百微米，為沿[111]方向生長(zhǎng)的單晶β-SiC納米線。根據(jù)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，利用多重氣固反應(yīng)機(jī)制，分析了SiC納米線的生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)機(jī)理。 我們嘗試改變制備SiC納米線反應(yīng)溫度、硅源和碳源，以得到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。以SiO2、石墨和硅片為原料時(shí)，1200℃是最佳的反應(yīng)溫度：硅片是必不可少的硅源之一，且更利于納米線的沉積；1200℃下，只有引入SiO2作為反應(yīng)物之一，才能生成SiC納米線，選擇純度高、粒徑均勻的