太原理工大学硕士学位论文GaN纳米线和薄膜的制备及其特性研究姓名:王非申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:许并社20070501GaN纳米线和薄膜的制备及其特性研究作者:王非学位授予单位:太原理工大学相似文献(10条)1.学位论文叶凡几种宽带隙半导体材料的场发射特性研究2007显示器作为人机交换信息的界面或窗口,在信息社会中起着重要的作用。目前广泛应用的热阴极射线管(CRT)因不能与集成电路制造技术相兼容,很难实现结构上的小型化,且工作电压高,能耗大,面临着被淘汰的局面。基于场发射阴极的场发射显示器(FED),因无需电子束的扫描,可使其结构薄型化,实现低能耗、高清晰度、高稳定性大屏幕平面显示,是新一代最有发展前途的显示器。场发射平板显示技术虽已取得很大的进展,但距离大规模的应用依然存在不小差距。其原因在于尚未找到一种具有良好发射特性的场发射阴极材料,且现有的场发射阴极材料在性能、制备及加工工艺上也存在许多尚需解决的问题。因而,近年来场发射阴极材料的研究已成为材料研究领域中的一个热点问题。近年来,研究工作者们致力于寻找一种场发射性能优越的新材料。宽带隙半导体材料具有场发射阴极材料所要求的几乎所有性质:良好的化学与热稳定性、高的熔点和热导率、小的介电常数、大的载流子迁移率和高的击穿电压,特别是这些材料的电子亲合势(EA)很小甚至是负值(NEA),为成为良好的场发射材料提供了可能。本文利用不同方法制备了几种宽带隙半导体材料,并研究了它们的场发射特性。主要取得了以下几方面的结果:(1)利用电化学方法沉积了类金刚石(DLC)薄膜和非晶碳氮(a-CN,x)薄膜,研究了在DLC薄膜沉积过程中电压、温度和沉积时间对电流密度的影响,在a-CN,x薄膜沉积过程中电压对电流密度的影响,得出了较高电压和较高温度有利于DLC薄膜生长以及较高电压有利于a-CN,x薄膜生长的结论。测量了合适条件下沉积的DLC薄膜和a-CN,x薄膜的结构特性和场发射特性。由于a-CN,x膜的疏松结构,DLC薄膜的粗糙表面以及大的禁带宽度,导致DLC薄膜的场发射特性优于a-CN,x薄膜。(2)利用直流溅射方法沉积了非晶氮化镓(a-GaN)薄膜,研究了a-GaN薄膜的结构和场发射特性,以及氢等离子体处理和Si掺杂对薄膜场发射特性的影响,并对场发射性能变化的机理进行了分析。氢等离子体处理后,由于薄膜表面的突起减少,a-GaN薄膜的缺陷态密度减少,甚至是有一些薄膜已经被刻蚀掉使得薄膜的场发射特性变差,Si的掺杂使电子可以直接从杂质带发射到真空而且可能导致了曲率更小的尖锥的形成,使薄膜的场发射特性变好。(3)利用化学气相沉积方法生长了氮化镓纳米线(GaNnanowires)、氮化铟镓纳米线(InGaNnanowires)和氮化铟纳米线(InNnanowires)。研究了温度、气体比例和时间对样品形貌的影响,以及合适条件下生长的纳米线的结构和场发射特性。在T=950℃、NH,3/Ar=1/2.5时GaN纳米线是六方相的。由于其具有较大的发射点密度,并且没有场屏蔽效应产生,所以发射电流密度最大。在T=600℃、无Ar且t=70min时生长的InGaN纳米线是六方相和立方相的混合相,且In含量不均匀,具有最小的开启电场,最大的发射电流密度。在T=550℃、无Ar时生长的InN纳米线是六方相和立方相的混合相,具有最小的开启电场,最大的发射电流密度。(4)利用直流溅射方法沉积了HfN,xO,y,薄膜。研究了退火温度对薄膜结构和场发射特性的影响,并对其场发射机理进行了分析。随着退火温度的升高,薄膜的相结构发生变化,而且HfN成分减少,HfO,2成分增多;组成薄膜的颗粒变大;其表面出现隆起甚至是纳米锥状突起。由于结构和形貌的影响,使得在800℃的退火温度下,薄膜具有最小的开启电场和最大的电流密度。通过对以上几种宽带隙半导体材料场发射特性的研究,为场发射研究积累了实验数据,并为理解尚不明确的发射机理提供了实验依据。2.学位论文李甲林氮化镓与碳化硅纳米线的CVD法制备与表征2009作为两种性能优越的宽带隙半导体材料,氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)材料具备了卓越的物理化学性质、力学以及光学性质,二者的块体材料在被应用的过程中,已经显现了巨大的优势。由于-维纳米材料具有尺寸效应、量子限制效应、表面效应等现象,而表现出特殊的物理化学性能,GaN和SiC材料的研究早已不止步于块体材料,因而-维GaN和SiC纳米材料的制备及其性能研究已成为研究者的科研热点。在对-维GaN和SiC纳米材料的研究过程中,开发出一些制备其-维纳米线的方法。然而,在大多数制备过程仍然存在添加金属催化剂,反应条件苛刻,操作复杂,所需设备和原料昂贵等缺点。因此,我们尝试采用高温管式炉,在不添加任何金属催化剂的条件下,通过简单易行的操作来制备-维GaN纳米线和SiC纳米线。本研究的重点为,利用化学气相沉积法(CVD)和多重气固反应分别制备-维GaN纳米线和SiC纳米线,通过对比实验,研究反应温度、气流、反应物等对产物的影响,从而总结出最佳的制备条件,并结合表征结果,提出-维GaN纳米线和SiC纳米线的生长机理,并对其中出现的特殊相貌做以分析。以金属镓(Ga)和氨气(NH3)为原料利用CVD法制备-维GaN纳米线时,最佳反应温度为900℃,且氨气气流恒定时,可以在硅片衬底上收集到大量直径约为60nm,长度可达几十微米的纳米线,纳米线表面光滑,分布均匀。当NH3气流不稳定时,则会生成大量有氧化物覆盖的具有芯鞘结构的粗大纤维结构,除此,石英管内残留的氧气会导致N和Ga结合的不够充分,从而影响氮化镓纳米线的产量。根据以上分析的结果,我们提出了用自催化气-固-液(VLS)生长机制来解释GaN纳米线的生长机理。我们以硅片、石墨和二氧化硅(SiO2)粉末为原料,通过多重气固(VS)反应成功地制备出了-维碳化硅(SiC)纳米线。通过X射线衍射仪(XRD)分析,表明生成产物为立方结构的β-SiC。利用扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察,该-维SiC纳米线的直径为30-50nm,长度可达几十甚至上百微米,为沿[111]方向生长的单晶β-SiC纳米线。根据多次对比实验的结果,利用多重气固反应机制,分析了SiC纳米线的生长过程和生长机理。我们尝试改变制备SiC纳米线反应温度、硅源和碳源,以得到最佳的实验条件。以SiO2、石墨和硅片为原料时,1200℃是最佳的反应温度:硅片是必不可少的硅源之一,且更利于纳米线的沉积;1200℃下,只有引入SiO2作为反应物之一,才能生成SiC纳米线,选择纯度高、粒径均匀的SiO2粉末,更有助于制备出优良的纳米线;以石墨代替碳纳米管作为碳源,既可以得到优良的产物,又可以大大降低实验成本。在SiC纳米线的生长过程中,可以观察到具有周期性孪晶结构的SiC纳米线,根据对-维纳米材料中所出现缺陷的广泛研究,我们适当的解释了该结构形成的原因以及形成的过程。3.学位论文刘德华一维氧化锌纳米线的研制、光致发光与场发射特性研究2005本文主要研究了一维氧化锌纳米线的制备及其结构、光致发光和电子场发射特性。 作为宽带隙半导体材料,ZnO具有良好的化学稳定性和热稳定性,其优异的发光特性,透明导电特性近年来得到了广泛重视。最近低维纳米氧化锌材料成为国内外研究的热点。 本文首先介绍了近期国内外ZnO纳米线的制备进展情况。本工作采用制备简单,不需催化剂,生长温度较低的纯锌粉热蒸发法在(100)单晶硅和普通玻璃衬底上气相生长出一维纳米结构的氧化锌晶体。扫描电镜(SEM)观察发现在不同温度和衬底材料上生长的纳米结构ZnO分别呈现准定向生长的类针状纳米线、羽毛状纳米结构、定向生长的纳米螺杆、六方状纳米线和纳米带五种不同形貌。X射线衍射(XRD)测试表明所生长的一维纳米结构ZnO都是六方纤锌矿结构的晶体。定向生长的纳米螺杆呈单晶态、c轴择优取向生长,且具有头部十八面体茎部六面体的结构。此类ZnO纳米螺杆结构还未见报导过。实验结果表明,生长温度和衬底材料的差异对纳米结构ZnO的形貌特征有很大的影响。本文对氧化锌纳米线的生长机理也进行了分析。 本工作还研究了准定向生长的类针状ZnO纳米线和定向生长的螺杆状ZnO纳米线样品的室温光致发光及电子场发射特性。类针状ZnO纳米线的光致发光谱显示,在波长为380nm处出现紫外峰及在500nm处出现绿峰,分析认为此二峰应分别属于激子复合发光和导带底到氧反位缺陷能级的跃迁。在螺杆状ZnO纳米线的光致发光谱中发现,在波长420nm和444nm处出现蓝光发射峰。文中对此蓝光发射的形成机制进行了讨论,根据晶体中的缺陷分析认为这是氧空位到价带的电子跃迁形成的。电子场发射测试表明,类针状纳米线样品开启电压为6.8V/μm,由于其顶端直径较小,获得1mA/cm2发射电流的电场仅为8.2V/μm;同时在9.0V/μm的电场下,得到了密度达3.6mA/cm2的强发射电流。螺杆状纳米线样品生长的定向性较好,因而场发射开启电压较低,仅为3.6V/μm;但因其头部直径较大,得到1mA/cm2发射电流密度所需的电场为11.2V/μm,比类针状纳米线样品高。两类ZnO纳米线样品均具有较好的电子场发射稳定性。研究表明,定向排列良好的顶端直径较小的ZnO纳米线阵列有望成为优良的电子场发射阴极。4.学位论文李春华半导体低维纳米材料的制备与表征2006近年来,宽带隙半导体材料—GaN一维纳米材料己引起了人们极大的兴趣,这些纳米材料具有许多独特的性能并且在光、电及机械等方面具有极大的应用潜能。本文对GaN和TiO2一维纳米材料的合成、显微结构及物性进行了系统研究。主要结果如下:1、在一两端开口的管式炉中,用简单的氨化法,在1000℃合成出大量高质量的氮化镓纳米线。本文选用氧化镓和氨气为原料,氧化铟为催化剂合成氮化镓纳米线。在相同的实验条件下,氧化镓含量不同时,合成了氮化镓纳米晶须。利用场发射扫描电镜(FESEM)、能谱分析(EDS)、X-Ray衍射(XRD)、选区电子衍射(SAED)及高分辨透射电镜(HRTEM)对试样进行了表征,结果表明:得到的纳米线平直、光滑,其直径在30-50nm范围内,长度可达几十微米。纳米线是具有六方晶系纤锌矿结构的GaN单晶体,且纳米线中缺陷很少,最后对其生长机理进行了讨论。纳米晶须的直径在200nm左右,粗细不均匀,长度从几十纳米到几百纳米不等,表面形貌不规则,多呈层状结构。2、通过金属镓与氨气直接反应,在单晶硅基片表面,以氧化铟作催化剂,在水平管式炉中成功制备出氮化镓纳米线。FESEM、XRD、HRTEM结果表明:所得的纳米线是具有六方纤锌矿结构的氮化镓晶体,其直径在50-100nm范围内,长度可达100微米,且纳米线表面有些粗糙,存在较多的缺陷。最后对其生长机理进行了探讨。3、采用水热合成法,以市售TiO2粉末和NaOH为原料,成功地制备了TiO2纳米管/纳米线。用XRD、SEM、HRTEM、PL等手段对纳米管/纳米线的物相、微观形貌和结构、光学性能进行了表征,并探讨了其生长机理。结果表明:TiO2纳米管为锐钛矿型,管壁为多层,管外径分布在10-20nm范围内,开口,长度可达几十微米;TiO2纳米管的生长机理符合3-2-1D的生长模型;其紫外吸收光谱和光致发光谱相对于原料粉均呈现出蓝移现象;光致发光谱显示TiO2纳米管在可见光区的发光强度明显增强。得到的TiO2纳米线为锐钛矿型,直径为50nm左右,长度可达几微米。5.会议论文卢东昱.陈建.谢方艳.邓少芝.许宁生利用光电子能谱研究氩离子对三氧化钨纳米线的还原作用2006三氧化钨是具有多功能的宽带隙半导体材料,它表现出许多独特的性质,具有广阔的应用前景,成为目前纳米材料的一个研究热点。三氧化钨有显著的电致变色、气致变色、热致变色、光致变色的特性,它们可以用来做成平板显示器、灵巧窗口、温湿度传感器等等。此外,一些氧化钨低值氧化物(WO3-x))还有很好的电特性,尤其表