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石墨烯上Ⅲ族氮化物纳米线生长研究

【摘要】:Ⅲ族氮化物属于直接带隙半导体,具有高电子迁移率、热导率和高化学稳定性等优点,被广泛应用在光学器件、高频器件以及大功率器件等方面。随着科技的进步,人们对Ⅲ族氮化物材料有了更高的要求。不断改善和提高材料的光电性能已成为材料研究的重要方向。由于纳米线的比表面积较体材料更具有优势,理论上纳米线的外量子效率比体材料的外量子效率大,进而能够提高材料的光电性能。Ⅲ族氮化物纳米线成为国内外研究的热点。石墨烯是一种新型的二维材料,它是由碳原子组成的六角点阵结构,具有较高的电子迁移率和热导率。由于石墨烯结构与Ⅲ族氮化物的结构相似,可以将石墨烯作为插层覆盖在衬底表面生长Ⅲ族氮化物纳米线。另外,由于石墨烯层与衬底之间范德瓦尔斯力作用较弱,石墨烯层可以被方便移植到柔性衬底上,为制作柔性3D LED提供材料基础。本文主要研究了衬底、生长温度、NH3流量、生长时间、催化剂、石墨烯插层以及缓冲层等因素对GaN和InN纳米线生长的影响。研究的主要内容如下:1、研究了金属镓升华法生长GaN纳米线的生长条件、形貌和物理特性。1)研究了在不同衬底上生长的GaN纳米线的形貌。研究发现,GaN/蓝宝石模板衬底较蓝宝石衬底更容易生长出GaN纳米线,且GaN/蓝宝石衬底表面获得的纳米线粗细均匀、密度大且光滑。2)研究了在不同生长温度、NH3流量以及生长时间条件下生长的GaN纳米线的形貌,在1100℃,NH3流量200sccm以及生长时间5min的条件下最有利于GaN纳米线的生长,获得了密度大且光滑的GaN纳米线。3)研究了在石墨烯插层、催化剂以及缓冲层上生长的GaN纳米线的形貌。石墨烯和催化剂都能够为GaN纳米线生长提供成核。在合适的生长条件下,单独有石墨烯或者催化剂的衬底表面能够生长出GaN纳米线,既没有石墨烯也没有催化剂的衬底表面不能生长出GaN纳米线,既有石墨烯也有催化剂的衬底表面能够生长出光滑的GaN纳米线。石墨烯、催化剂以及缓冲层的共同作用有利于生长出GaN纳米柱有序阵列。2、研究了在不同温度和Ni作为催化剂(不同浓度Ni(NO3)2溶液)的条件下生长的GaN纳米线的光学性质、应力情况以及晶体质量。研究发现,由于纳米线具有较大的表面态密度,所以纳米线PL谱中的发光峰峰位发生了红移。石墨烯能够消除衬底和外延层之间的应力,在石墨烯和催化剂的共同作用下生长出无应力单晶GaN纳米线。3、研究了在催化剂和石墨烯插层上生长InN纳米线的形貌和物理性质。研究发现,在没有催化剂的衬底表面不能够生长出InN纳米线。用拉曼谱研究了在催化剂和石墨烯插层上生长的单晶InN纳米线的应力,石墨烯能够消除衬底和外延层之间的应力,石墨烯和催化剂的共同作用可以生长出无应力的InN纳米线。

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