生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用与流程

文档序号:16515191发布日期:2019-01-05 09:35
生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用与流程

本发明涉及(In)GaN纳米柱领域,特别涉及生生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。



背景技术:

氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点,在国防科技、航天航空、工业生产中已经大量运用。作为一种理想的能源载体,氢可以通过燃烧产生动力(如氢燃气轮机、氢汽车发动机等),也可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及电驱动车。光电化学(Photoelectrochemical,PEC)解水产氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能,具有重要的研究意义。

在过去的几十年中,研究人员主要致力于探索能够实现高效PEC解水的半导体材料。其中,(In)GaN材料带隙可调,可实现可见光光谱范围内光电解水产氢,引起了研究人员的广泛关注。此外,当(In)GaN材料缩小到纳米尺寸的纳米柱时,表现出了一些独特的性能:(1)(In)GaN纳米柱具有高的比表面积,其高的比表面积使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫,能显著降低缺陷密度,进而降低载流子非辐射复合的概率;(2)纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离,降低了光生载流子的复合概率,更有利于光生电子、空穴分别参加析氢、析氧反应;(3)纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收,提高对太阳光的利用,并且增大了半导体/电解液的界面反应面积。综上所述,(In)GaN纳米柱在光电解水产氢领域具有独特的优势,是理想的光电解水材料。

目前,(In)GaN纳米柱主要是基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石1014Ω·cm,掺杂Si~10Ω·cm)、成本高等问题。电阻率较大的蓝宝石、单晶Si作为(In)GaN纳米柱基光电极的衬底材料,在制备电极时,需要蒸镀多层金属层制备欧姆接触电极,增大了器件工艺的复杂程度。因此寻找一种价格低廉、导电性能好的衬底材料应用于生长(In)GaN纳米柱,对(In)GaN纳米柱光电解水产氢应用意义重大。



技术实现要素:

为了克服现有技术的上述缺点与不足,本发明采用一种成本低、导电性能好的Ti金属衬底。金属Ti衬底的导电性能好,可以直接作为器件的电极,无需制备欧姆接触电极,简化了器件工艺。再次,金属Ti衬底价格相对较低,有利于降低器件成本。

本发明的目的在于提供一种生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法。(In)GaN外延层的尺寸减小到纳米范围形成的纳米柱结构是应变弛豫的,几乎没有缺陷,晶体质量高。

本发明的另一目的在于提供上述生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的光电解水产氢应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱,包括Ti衬底1,生长在Ti衬底1上的AlN缓冲层2,生长在AlN缓冲层2上的(In)GaN纳米柱3。

优选的,所述Ti衬底为普通Ti金属。

优选的,所述AlN缓冲层的厚度为5~50nm,当AlN缓冲层的厚度达到5~50nm时生长(In)GaN纳米柱的应力得到释放。另外,(In)GaN纳米柱由于较大的比表面积,使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫,有利于在Ti金属衬底上生长高质量的(In)GaN纳米柱。

优选的,所述(In)GaN纳米柱包括GaN、InGaN、InN纳米柱,以及InGaN/GaN、InN/InGaN核/壳结构纳米柱。

优选的,所述(In)GaN纳米柱的高度为60~2000nm,直径为15~500nm。

以上所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用Ti衬底;

(2)衬底表面抛光:将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察Ti衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理;

(3)衬底清洗:将步骤(2)抛光后的Ti衬底超声清洗,以去除表面残留有机物,最后用高纯干燥氮气吹干;

(4)衬底退火处理:将步骤(3)所得Ti衬底放入反应室内,在900~1100℃下对Ti衬底进行退火处理,以获得光滑的表面;

(5)AlN缓冲层的制备:控制步骤(4)所得Ti衬底温度为450~550℃,转速为5-10r/min,沉积厚度为5~50nm的金属Al薄膜,然后采用氮等离子体源对金属Al薄膜进行氮化,等离子体源功率为200~450W,氮气流量为1~5sccm,在Ti衬底上获得AlN缓冲层,有利于进行后续(In)GaN纳米柱的生长;

(6)(In)GaN纳米柱的生长:采用分子束外延生长工艺,控制衬底温度为450~1000℃,衬底转速为5-10r/min,Ga束流流量为1.0×10-8~1.5×10-7Torr,In束流流量为1.0×10-8~5×10-7Torr,氮气流量为1~5sccm,等离子体源功率为200-450W,在步骤(5)得到的AlN缓冲层上生长(In)GaN纳米柱。

优选的,步骤(3)所述超声清洗是将Al衬底用丙酮、乙醇、水分别超声清洗2~5min。

优选的,步骤(4)所述退火处理的时间为0.5~1小时。

优选的,步骤(5)所述氮化的时间为10~30分钟。

以上所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱在光电解水产氢中的应用。

与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:

(1)本发明使用普通Ti金属作为衬底,相对于其它衬底材料,如蓝宝石、单晶Si衬底,价格更便宜,可以降低器件制造成本。

(2)Ti金属作为生长(In)GaN纳米柱的衬底材料,可直接作为器件的电极。如此,无需蒸镀多层金属制备欧姆接触电极,简化了器件制备工艺。

(3)在常温下,钛金属表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜,可以抵抗强酸甚至王水的作用,表现出优异的化学稳定性。因此,相对于其它金属衬底材料,Ti金属更适用于作为衬底材料生长(In)GaN纳米柱应用于光电解水产氢。

(4)本发明使用Ti金属作为衬底,先沉积一层金属铝薄膜,然后进行氮化处理,形成AlN缓冲层,有利于后续(In)GaN纳米柱的形核和生长。并且,当AlN缓冲层厚度达到5~50nm,(In)GaN纳米柱处于弛豫状态。另外,(In)GaN纳米柱由于较大的比表面积,使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫,有利于在Ti金属衬底上生长高质量的(In)GaN纳米柱。

(5)本发明制备得到的(In)GaN纳米柱,晶体质量高,位错密度低。一方面,AlN缓冲层的采用,减小了Ti衬底与(In)GaN之间的晶格失配,能够有效地减少位错的形成,有利于高质量(In)GaN纳米柱的生长;另一方面,(In)GaN纳米柱结构是应变弛豫的,几乎没有缺陷,晶体质量高。最后制备得到的高晶体质量的(In)GaN纳米柱,大幅降低了载流子非辐射复合的概率,可大幅度提高(In)GaN纳米柱在光电解水产氢应用上的光电转换效率。

(6)(In)GaN纳米柱通过调节In组分,其带隙在0.67-3.4eV范围可调,可实现在可见光光谱范围内光电解水产氢,提高对太阳光的利用率。

(7)生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱在应用于光电解水产氢时,(In)GaN纳米柱的纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离,降低了光生载流子的复合概率,更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应。

(8)(In)GaN纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收,提高对太阳光的利用,并且增大了半导体/电解液的界面反应面积,有利于提高太阳能转换成氢能的能源转换效率。

附图说明

图1为实施例1生长在Ti衬底上的InGaN纳米柱的截面示意图。

图2为实施例1生长在Ti衬底上InGaN纳米柱的SEM俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例,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。

实施例1

生长在Ti衬底上的InGaN纳米柱的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用普通Ti金属作为衬底。

(2)衬底表面抛光:将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

(3)衬底清洗:将Ti衬底用丙酮、乙醇、去离子水分别对衬底进行超声清洗3分钟,最后用高纯干燥氮气吹干。

(4)衬底退火处理:将衬底放入反应室内,在900℃下对Ti衬底进行退火处理0.5小时。

(5)AlN缓冲层的形成:衬底温度控制在500℃,衬底转速为10r/min,沉积厚度为30nm的金属Al薄膜,然后采用氮等离子体源对金属薄膜进行氮化,等离子体源功率为350W,氮气流量为2sccm,氮化时间为20分钟,获得AlN薄膜。

(6)高质量InGaN纳米柱的制备:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为550℃,衬底转速为10r/min,In束流流量为8×10-8Torr,Ga束流流量为2.8×10-8Torr,氮气流量为2.5sccm,等离子体源功率为400W,在步骤(5)得到的AlN缓冲层上生长得到InGaN纳米柱。

如图1所示,本实施例生长在Ti衬底上的InGaN纳米柱的截面示意图,包括Ti衬底1,生长在Ti衬底1上的AlN缓冲层2,生长在AlN缓冲层2上的InGaN纳米柱3。

如图2所示,本实施例生长在Ti衬底上InGaN纳米柱的扫描电子显微镜俯视图。

将本实施例生长在Ti衬底上的InGaN纳米柱用于光电解水产氢:本实施例制备的InGaN纳米柱In含量为45%,根据计算公式得到所制备的InGaN纳米柱带隙为1.84eV,其光谱吸收范围为200~670nm。将所制备的宽光谱响应的Ti衬底上InGaN纳米柱制作成光电极,具体步骤如下:无需蒸镀多层金属形成欧姆接触,直接在Ti金属背面粘接金属导线,并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。之后,使用电化学工作站进行光电化学测试,具体如下:使用0.5mol/L H2SO4溶液作为电解液,所制备光电极作为阳极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt线作为阴极,以及300W Xe灯(光强度~100mW/cm2)作为光源,测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的Ti衬底上InGaN纳米柱基光电极在1.0V vs.SCE偏压时,光电流密度为25mA/cm2,偏压光电转换效率(ABPE)为5.75%。

实施例2

生长在Ti衬底上的InN纳米柱的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用普通Ti金属作为衬底。

(2)衬底表面抛光:将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

(3)衬底清洗:将Ti衬底用丙酮、乙醇、去离子水分别对衬底进行超声清洗各2分钟,最后用高纯干燥氮气吹干。

(4)衬底退火处理:将衬底放入反应室内,在900℃下对Ti衬底进行退火处理0.5小时。

(5)AlN缓冲层的形成:衬底温度控制在450℃,衬底转速为5r/min,沉积厚度为50nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离子体源对金属薄膜进行氮化,等离子体源的功率为200W,氮气流量为5sccm,氮化时间为30分钟,获得AlN缓冲层。

(6)高质量InN纳米柱的制备:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为400℃,衬底转速为10r/min,In束流流量为5×10-7Torr,Ga束流流量为1.0×10-8Torr,氮气流量为5.0sccm,等离子体源功率为450W,在步骤(5)得到的AlN缓冲层上生长得到InGaN纳米柱。

实施例3

生长在Ti衬底上的GaN纳米柱的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底的选取:采用普通Ti金属作为衬底。

(2)衬底表面抛光:将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光,配合光学显微镜观察衬底表面,直到没有划痕后,再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

(3)衬底清洗:将Ti衬底用丙酮、乙醇、去离子水分别对衬底进行超声清洗各5分钟,最后用高纯干燥氮气吹干。

(4)衬底退火处理:将衬底放入反应室内,在1100℃下对Ti衬底进行退火处理1小时。

(5)AlN缓冲层的形成:衬底温度控制在550℃,衬底转速为10r/min,沉积厚度为50nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离子体源对金属薄膜进行氮化,等离子体源的功率为450W,氮气流量为1sccm,氮化时间为10分钟,获得AlN缓冲层。

(6)高质量GaN纳米柱的制备:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为1000℃,衬底转速为5r/min,In束流流量为1.0×10-8Torr,Ga束流流量为1.5×10-7Torr,氮气流量为1.0sccm,等离子体源功率为200W,在步骤(5)得到的AlN缓冲层上生长得到GaN纳米柱。

将本实施例生长在Ti金属衬底上的GaN纳米柱用于光电解水产氢:本实施例制备的InN纳米柱带隙为3.4eV,其光谱吸收范围为200~365nm。将所制备的Ti衬底上GaN纳米柱制作成光电极,具体步骤如下:无需蒸镀多层金属形成欧姆接触,直接在Ti金属背面粘接金属导线,并用绝缘环氧树脂保护整个金属背面。之后,使用电化学工作站进行光电化学测试,具体如下:使用0.5mol/L HBr溶液作为电解液,所制备光电极作为阳极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,Pt线作为阴极,以及300W Xe灯(光强度~100mW/cm2)作为光源,测试得到光电流密度-偏压曲线。本工艺制备得到的Ti衬底上GaN纳米柱基光电极在1.0V vs.SCE偏压时,光电流密度为10mA/cm2,偏压光电转换效率(ABPE)为2.3%。

上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

再多了解一些
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