一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列及其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及GaN纳米阵列及其制备方法，特别涉及生长石墨稀衬底上的GaN纳米阵列及其制备方法、应用。
【背景技术】
[0002]III族氮化物直接带隙半导体材料(AIN、GaN、InN等二元化合物及相应三元化合物)由于具有带隙宽、发光效率高、电子漂移饱和速度高、化学性质稳定、以及抗辐射耐高温等特点，因此在抗辐射、高温、高频和高功率电子器件、LED发光器件、激光器以及光探测器等微电子和光电子领域具有广阔的应用前景。
[0003]目前，一维GaN纳米阵列已被证实具有独特的物理特性，如量子尺寸效应，表面效应等，是当前国际纳米光电子器件领域的的前沿和热点。首先，GaN纳米线由于其横截面小可作为天然的Fabry - Perot谐振腔，在室温光泵浦作用下表现出了优异的激光发射特性。其次，氮化物纳米阵列由于禁带宽度可调以及更高的光提取效率，可用于制备高功率大电流、宽谱白光二极管。GaN纳米阵列由于高比表面积还可作为室温下高效的紫外光响应探测器。此外，GaN纳米阵列在高频纳米场效应晶体管，异质结太阳能电池，可见光响应高效光催化器件等方面都具有重要的应用价值。
[0004]石墨稀作为最薄的单原子层二维材料，具有极高的载流子迀移率(230000cm2/V-s)、高的热导率(3000W/m -K)以及优越的光学特性(单层石墨烯的吸收率为2.3% )和力学特性(抗拉强度高达130GPa)，这说明石墨烯为生长GaN材料以及制备高效、柔性、高性能GaN基器件提供了优良的可行性。但是，很难直接在纯净的石墨烯薄膜层上外延生长GaN。这主要源于纯净的石墨烯层其sp2杂化C原子层表面性质稳定，无多余悬挂键用于提供给金属Ga原子进行反应形核，从而导致GaN形核率低，难以直接生长GaN。因此石墨烯衬底上生长GaN纳米材料一直是研宄的热点和难点。因此有研宄者采用了相关措施增加GaN在石墨烯层上的形核率，归纳主要有以下三种办法:(I)预沉积金属Ga或金属Ni，通过添加金属催化剂以增大GaN形核小岛密度。(2)粗糙化处理石墨烯衬底，例如利用氧等离子体处理石墨烯层制造缺陷，或光刻石墨烯层形成微米图案，或制备叠层多晶石墨烯。(3)预沉积其他形核层。插入AlN过渡层或预先沉积ZnO纳米墙等作为形核层。这些方法主要目的是增加石墨稀表面粗糙度，人为制造凸起棱边等形成富余悬挂键，加入催化剂、外来形核层或者损伤石墨烯表面，达到提高GaN在粗糙化石墨烯上的形核率的目的，但是其结果总会引入杂质或者损伤石墨稀的表面。
[0005]由此可见，要使石墨稀上GaN基尚效、柔性、尚性能GaN基器件真正实现广泛应用，最根本的办法就是解决石墨烯衬底上GaN形核难的问题，实现在石墨烯层上无催化无损伤地直接生长GaN纳米材料。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列，具有形核简单、具有柔性、高导热等优点，且制备成本低廉。本发明的目的之二在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列制备方法。本发明的目的之三在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列的应用。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0008]一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列，包括石墨烯纳米片衬底以及石墨烯纳米片衬底上无催化无损伤CVD生长的分级GaN纳米阵列，所述的石墨稀纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上。
[0009]一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，包括以下步骤:
[0010](I)采用石墨烯纳米片为衬底，将制备的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上，旋涂层数数次1-3次，旋涂速度1000-6000rmp ；
[0011](2)将步骤(I)中的石墨烯纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用化学气相沉积CVD法无催化生长分级GaN纳米阵列，通过控制管式炉工艺参数气氛流量的氨气流量、氮气流量；生长温度；生长时间，石墨烯衬底放置位置于l-3cm直径石英管中，最终直接无催化无损伤地生长出分级GaN纳米阵列。
[0012]进一步的，该石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，步骤(I)中制备的石墨稀纳米片直径为5-100um，厚度为0.5_2nm，浓度为0.1-lmg/ml。
[0013]进一步的，该石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，步骤(2)中控制管式炉工艺参数如下，气氛流量:氨气流量为lO-lOOsccm，氮气为20-200sccm ;生长温度:900-1100C ;生长时间:30-150mino
[0014]进一步的，该石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，控制管式炉工艺参数如下，气氛流量:氨气流量为60sccm，氮气为120sccm ;生长温度:1000°C;生长时间:60min，石墨烯衬底放置于2cm直径石英管中。
[0015]进一步的，所述的石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的应用，该分级GaN纳米阵列可用于制备GaN基LED器件。
[0016]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级GaN纳米阵列的应用，该分级GaN纳米阵列用于制备GaN基紫外光电探测器。
[0017]进一步的，所述的石墨稀衬底上分级GaN纳米阵列的应用，该分级GaN纳米阵列用于制备GaN基杂化太阳能电池器件。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0019](I)本发明使用石墨烯纳米片作为衬底，无需催化剂和其他形核层。采用石墨烯纳米片作衬底可极大地提高半导体材料的形核率，这主要是由于:石墨烯纳米片本身具有大量的棱边台阶，可为反应形核提供富余悬挂键，增加纳米材料在石墨烯衬底上的形核点，从而形成纳米材料的选区无催化生长模式。这既无需对石墨稀衬底粗糙化破坏处理，也无需预沉积金属催化剂和其他形核层，达到避免带来外来杂质等污染的效果，又解决形核难的问题。这是目前石墨烯衬底上生长GaN纳米材料研宄中所忽视的一个现象。
[0020](2)本发明所获得的是分级GaN纳米阵列。石墨烯纳米片可提供选区生长，从而可获得分级纳米结构，其形貌与沉积工艺参数具有密切的关系，通过调整工艺参数可生长出分级GaN纳米线/柱阵列。
[0021](3)制备出分级GaN纳米线/柱阵列，其缺陷密度低，比表面高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。
[0022](4)使用石墨烯纳米片作为衬底，容易获得，价格便宜，且能够转移至柔性衬底以及尚导热衬底上，有利于制备尚效、柔性、尚性能GaN基器件。
【附图说明】
[0023]图1为本发明制备的石墨烯纳米片衬底上分级GaN纳米阵列的截面示意图。
[0024]图2为本发明制备的石墨稀纳米片衬底上分级GaN纳米阵列的XRD测试图。
[0025]图3为本发明制备的石墨烯纳米片衬底上分级GaN纳米阵列的SHM电镜图。
[0026]图4为本发明制备的石墨稀纳米片衬底上分级GaN纳米阵列低温PL测试图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0028]实施例1
[0029]本实施例生长在石墨烯纳米片衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，包括以下步骤:
[0030](I)采用石墨稀纳米片为衬底:将制备的石墨稀纳米片(直径为5_15um，厚度为0.5nm，浓度为0.lmg/ml)旋涂于n_Si衬底等常规衬底，旋涂层数数次为3次，旋涂速度100rmp ；
[0031](2) CVD法无催化生长分级GaN纳米阵列:将上述石墨烯纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用常见化学气相沉积CVD法无催化生长分级GaN纳米阵列。通过控制管式炉工艺参数:气氛流量与比例(氨气流量为lOsccm，氮气为20SCC