专利名称：一种Ga空位可调的GaN纳米结构的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体纳米材料及其制备的技术领域，涉及稀磁半导体材料方面，具备Ga空位可调的GaN纳米结构的制备方法。
背景技术：
近年来,稀磁半导体(DilutedMagnetic Semiconductors, DMSs),又称半磁半导体，是指在非磁性半导体材料基体中通过掺入少量过渡金属或稀土元素。由于其既能利用电子的电荷特性又能利用电子的自旋特性，因而在高密度非易失性存储器和半导体电路的集成电路和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域具有广阔的应用前景。GaN是III _ V族半导体材料中禁带宽度为3.4eV的直接带隙半导体材料。这类材料能利用电子的电荷特性和自旋特性，即兼具半导体材料和磁性材料的双重特性，可将半导体的信息处理与磁性材料的信 息存储功能、半导体材料的优点和磁性材料的非易失性两者融合在一起。同时，具有良好的光电和压电特性，在高频、大功率型器件、蓝光和紫外半导体激光方面有广泛引用。已有的研究工作大多是针对GaN纳米材料的物相或形貌单一方面的研究，且采用较为复杂的实验操作方法对其进行掺杂，如使分子束外延法、氢化物气相外延法、直流电弧等离子体法等。分子束外延法主要是通过加热转换为气态，在真空中膨胀，凝结在衬底上，进行外延生长。如Averett K.L.等以Si (111)和蓝宝石(001)为衬底，生长的GaN纳米柱，参阅J.Vac.Sc1.Technol.B.2007 年第 25 期第 964 页。ZhangH.Z.等在 Si (111)衬底上制备的GaN纳米棒，参阅Physica E.2008第40期第828-832页。2004年Kumar D.等人采用分子束外延法制备了居里温度高达900K的Cr掺杂AlN纳米棒，参阅Appl.Phys.Lett.第 84 卷 4067-4069 页。氢化物气相外延法制备GaN单晶薄膜是人们最早采用就是气相外延法。如2008年林郭强等人采用氢化物外延法在C面蓝宝石上选区外延生长，参阅半导体学报第29卷第3期530-533页.2007年Tongbo Wei等人在GaN模板上外延生长GaN薄膜，参阅半导体学报第28卷第I期第19-23页。直流电弧放电法:2009年Weiwei Lei等人利用直流电弧法制备出了多孔状GaN纳米结构，以金属镓和氮气为源，电弧放电30-60 min，粒径为5_10um，表面布满褶皱和小孔，参阅2009年吉林大学博士学位论文一III族氮化物及AlN基稀磁半导体纳米材料的制备与高压物性研究.第3章第64-66页。由上述报道可以看出分子束外延法生长速率慢、成本比较高；氢化物气相外延术很难精确控制膜厚，且反应气体对设备具有腐蚀性，并且影响GaN材料纯度的提高；直流电弧等离子法不宜实现工业化生产。而化学气相沉积法制备的纳米材料具有粒径小，纯度高，分散性好和沉积温度低，对于难熔物质，能够在远低于其熔点温度进行沉积，可用于碳化物、金属及合金、I1-VI族和II1- V族半导体的制备，产物均匀性好，可控性好，对环境危害小，易于推广。
发明内容
本发明目的在于，提供一种化学气相沉积法制备Ga空位可调的GaN纳米结构的制备方法以解决现有技术制备工艺复杂、成本高等问题。提出采用高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，以获得Ga空位可控的纳米结构。本方法简单易行，所有原料都很常见，可以实现工业化生产。本发明是通过以下工艺过程实现的:
在陶瓷舟中直接合成的GaN纳米结构是以高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，将高纯Ga2O3粉置于陶瓷舟中，且将陶瓷舟置于中央加热区处，密封水平管式炉，炉内真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量为100 sccm的氩气，并对管式炉进行加热。温度达到980°C时，通入流量为100-200 sccm的氨气并保持3 h。然后，停止加热，自然降温至600°C，再次打开加热装置，并升温至980°C保持2h。最后，关掉氨气，并保持氩气流量不变。自然冷却到室温，关掉氩气，取出陶瓷舟，得到样品。本发明的特点是:方法简单，成本低，产率高，产物均匀性好，可控性好，对环境危害小，易于推广。与现有技术相 比，本发明的特点在于:采用化学气相沉积法制备出Ga空位可调的GaN纳米结构，其Ga空位的浓度易于控制，制备工艺简单，得到室温铁磁性和高的居里温度(大于300 K)。本实验产物均匀性好，对环境污染小，可控性好，易于推广，因而具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
图1为实施例1的XRD谱图，插图为EDS图。图2为实施例1的SEM图像，插图为相应的HRTEM谱图和FFT图。图3为实施例1的PL谱图。图4为实施例2的EDS图。图5为实施例3的EDS图。
具体实施例方式实施例1
采用高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，按0.8 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且将陶瓷舟置于中央加热区，密封水平管式炉，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量为100sccm的Ar气，并对管式炉进行加热，温度达到980 1:时，通入流量为100 sccm的氨气并保持3 h。然后，停止加热，自然降温至60(TC，再次打开加热装置，并升温至980°C保持2h。最后，关掉氨气，并保持氩气流量不变。自然冷却到室温，关掉氩气，取出陶瓷舟，得到样品GaN-1。GaN-1的XRD谱显示为六方纤锌矿结构(ICDD-PDF N0.50-0792)，插图为EDS图，定量分析可知Ga/N=0.90，即镓缺失，如图1。SEM观察GaN-1形貌为纺锤状的纳米结构，直径为100-200 nm左右，长度为几百纳米，如图2，右上插图为样品的HRTEM图，从图中可以看出GaN为单晶，沿[101]方向生长，右下插图为其相应FFT图，显示其为单晶的六方纤锌矿结构。图3是GaN-1的PL谱图，516nm处存在的峰证实样品中存在Ga空位。图4是实例2中样品GaN-2的EDS图，定量分析可知Ga/N=0.95，即样品GaN_2中存在Ga空位。图5是实例3中样品GaN-3的EDS图，定量分析可知Ga/N=0.98，即样品GaN_3中也存在Ga空位。从三组样品的EDS图分析可知，GaN样品中均存在Ga空位，但是Ga空位浓度不同。三组样品制备条件上的不同主要源于NH3流量的不同，由此可知，NH3流量可调控GaN纳米结构中Ga空位的浓度。
实施例2
采用高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，按0.7 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且将陶瓷舟置于中央加热区，密封水平管式炉，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量为100sccm的Ar气，并对管式炉进行加热，温度达到980 1:时，通入流量为150 sccm的氨气并保持3 h。然后，停止加热，自然降温至60(TC，再次打开加热装置，并升温至980°C保持2h。最后，关掉氨气，并保持氩气流量不变。自然冷却到室温，关掉氩气，取出陶瓷舟，得到样品GaN-2ο实施例3
采用高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，按0.7 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且将陶瓷舟置于中央加热区，密封水平管式炉，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量为100sccm的Ar气，并对管式炉进行加热，温度达到980 1:时，通入流量为200 sccm的氨气并保持3 h。然后，停止加热，自然降温至60(TC，再次打开加热装置，并升温至980°C保持2h。最后，关掉氨气，并保持氩气流量不变。自然冷却到室温，关掉氩气，取出陶瓷舟，得到样品GaN-3ο由以上实施例可以看出，采用化学气相沉积法制备Ga空位可调的GaN纳米结构，其产物均匀性好，可控性好，工艺简单，成本低，因而具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
权利要求
1.一种Ga空位可调的GaN纳米结构的制备方法:本方法采用化学气相沉积法，在陶瓷舟中生出Ga空位可调的GaN纳米结构。所用系统由硅钥棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。高纯Ga2O3粉末和NH3气分别作为Ga源和N源。将高纯Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，并将陶瓷舟置于中央加热区处，密封水平管式炉。使用机械泵和扩散泵对系统抽真空，使炉内真空度抽至IX 10_2 Pa以下，除去系统中残留的水气和氧气。通入流量为100 sccm的氩气，并对管式炉进行加热。当管式炉加热区的温度达到980°C时，通入流量为100-200 sccm的氨气并保持3h。然后，停止加热，自然降温至600°C，再次打开加热装置，并升温至980°C保持2h。最后，停止加热，关掉氨气，并保持氩气流量不变。自然冷却到室温，关掉氩气，取出陶瓷舟，得到样品。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的源为高纯Ga2O3粉末和NH3气。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述温度为980°C。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氩气的通入流量为100Sccm0
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨气的通入流量为100-200Sccm0
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述首次保温时间为3h。
7.如 权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述停止加热，自然降温至600°C。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述打开加热装置，并升温至980°C保持时间为2 ho
全文摘要
本发明公开了一种Ga空位可调的GaN纳米结构的制备方法，属于纳米材料及其制备的技术领域。本发明采用化学气相沉积法，以高纯Ga2O3粉和NH3气分别作为Ga源和N源，将Ga2O3粉置于陶瓷舟中，将陶瓷舟置于中央加热区，密封水平管式炉，炉内真空度抽至1×10-2Pa以下，通入流量为100sccm的氩气，对管式炉进行加热。温度达到980℃时，通入流量为100-200sccm的氨气并保持3h。停止加热，自然降温至600℃，再次打开加热装置，升温至980℃保持2h。自然冷却到室温，关掉氩气，取出样品。本发明的特点是方法简单，成本低，产率高，产物均匀且可控性好，对环境危害小，易于推广。
文档编号C23C16/34GK103173738SQ20131009323
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者吴 荣, 任会会, 简基康 申请人:新疆大学