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AlGaN作为直接带隙的宽禁带(3.4eV-6.02eV)半导体材料,具有优秀的光电性质、高热稳定性和热导率、优良的介电特性和高机械强度,可以用来制备高性能电学器件和光电器件。纳米材料由于内部晶体周期性被破坏,在光电等邻域,表现出了比体材料更加优秀的性质。目前, AlGaN纳米材料及相关器件仍处于研究阶段,各种工艺下制备的AlGaN纳米材料的质量有待提高,其生长机理和模型还需要进一步地研究和完善。
针对这些问题,本文主要对AlGaN一维纳米材料的制备和性质、催化剂的制备和功能、纳米材料生长机理以及基于AlGaN纳米线的光电探测器进行了一定的研究,主要的研究结果如下:
1.通过化学气相沉积工艺,使用不同的催化剂,分别制备了高质量的 AlN 和AlGaN。通过对各种生长参数进行精确控制,得到了不同条件下生长的纳米结构的形貌演化,借助质量输运模型初步解释了生长过程。
在生长时间的研究中,结果表明,纳米线生长初期距离较远的原子有概率直接沉积在纳米线底部,使部分短棒呈现锥形;当纳米线的长度增加超过原子的平均扩散距离,其生长主要受催化剂的控制,顶端呈现直径均匀的线状;当生长时间过长,纳米线生长从轴向生长向径向生长转变,随着直径增大,顶端由于原子扩散呈现锥形。
在生长温度和氨气流速的研究中,我们发现,在较低生长温度或较低氨气流速下下,前驱体间反应速率较慢,纳米材料无法生长。当系统处于氨气过量时,生成形貌独特的纳米塔和大粒晶簇。
2.系统地研究了Ni、Pd、Au催化剂的退火过程以及这些催化剂在生长过程中对产物的成分和结构的影响。
退火过程的研究表明,催化剂退火分为两类:一、当催化剂和Si衬底形成合金时,退火遵循奥斯瓦尔德熟化,随着温度和时间提高,平均直径增大,密度降低,小尺寸和大尺寸颗粒的比重增大;二、当催化剂与衬底无法形成合金时,退火中保持固相,退火后颗粒形貌和尺寸不规律。
催化剂对产物成分和结构实验表明,催化剂是实现纳米结构可控生长的关键。在生长过程中,催化剂内部各成分存在竞争,在不同生长条件下会生成结构和成分不同的产物。
3.结合纳米线制备和催化剂相关研究。详细解释了实验中涉及的生长机理。在VLS生长受反应速率限制时,产物优先从V-L-S三相点和L-S界面析出,导致纳米线轴向生长。同时,由于气相和固相间存在化学势差,产物也有几率直接在VS界面析出,引起径向生长。在不同生长参数下,几种生长速率间的大小关系导致纳米材料形成纳米线、纳米锥等不同的结构。
4.初步设计并制备了基于AlGaN纳米线和超长Ag纳米线的MSM结构紫外光电探测器。目前,性能最好的探测器,反向暗电流控制在10μA以下,明暗电流比约40。
针对这些问题,本文主要对AlGaN一维纳米材料的制备和性质、催化剂的制备和功能、纳米材料生长机理以及基于AlGaN纳米线的光电探测器进行了一定的研究,主要的研究结果如下:
1.通过化学气相沉积工艺,使用不同的催化剂,分别制备了高质量的 AlN 和AlGaN。通过对各种生长参数进行精确控制,得到了不同条件下生长的纳米结构的形貌演化,借助质量输运模型初步解释了生长过程。
在生长时间的研究中,结果表明,纳米线生长初期距离较远的原子有概率直接沉积在纳米线底部,使部分短棒呈现锥形;当纳米线的长度增加超过原子的平均扩散距离,其生长主要受催化剂的控制,顶端呈现直径均匀的线状;当生长时间过长,纳米线生长从轴向生长向径向生长转变,随着直径增大,顶端由于原子扩散呈现锥形。
在生长温度和氨气流速的研究中,我们发现,在较低生长温度或较低氨气流速下下,前驱体间反应速率较慢,纳米材料无法生长。当系统处于氨气过量时,生成形貌独特的纳米塔和大粒晶簇。
2.系统地研究了Ni、Pd、Au催化剂的退火过程以及这些催化剂在生长过程中对产物的成分和结构的影响。
退火过程的研究表明,催化剂退火分为两类:一、当催化剂和Si衬底形成合金时,退火遵循奥斯瓦尔德熟化,随着温度和时间提高,平均直径增大,密度降低,小尺寸和大尺寸颗粒的比重增大;二、当催化剂与衬底无法形成合金时,退火中保持固相,退火后颗粒形貌和尺寸不规律。
催化剂对产物成分和结构实验表明,催化剂是实现纳米结构可控生长的关键。在生长过程中,催化剂内部各成分存在竞争,在不同生长条件下会生成结构和成分不同的产物。
3.结合纳米线制备和催化剂相关研究。详细解释了实验中涉及的生长机理。在VLS生长受反应速率限制时,产物优先从V-L-S三相点和L-S界面析出,导致纳米线轴向生长。同时,由于气相和固相间存在化学势差,产物也有几率直接在VS界面析出,引起径向生长。在不同生长参数下,几种生长速率间的大小关系导致纳米材料形成纳米线、纳米锥等不同的结构。
4.初步设计并制备了基于AlGaN纳米线和超长Ag纳米线的MSM结构紫外光电探测器。目前,性能最好的探测器,反向暗电流控制在10μA以下,明暗电流比约40。