专利名称：一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化镓纳米晶体的制备方法，特别是一种采用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法。
背景技术：
氮化镓晶体，作为室温直接宽禁带化合物半导体材料(禁带宽度为3.4eV)，以其优良的性质如低压缩性及高热导性，使其在高温、高能器件、短波长光学器件上具有广泛的应用。从上世纪30年代被发现以来，一直是物理界及化学界广泛研究的热点。目前氮化镓晶体的主要用途为1、直接用作氮化镓量子点复合材料；2、采用气化凝结法制备大块氮化镓的原料；3、制备高质量一维氮化镓。对于直接用于作为氮化镓量子点复合材料，通常的制备方法很少能满足直接用于量子点应用的要求，例如要求平均粒径小于或接近玻尔激子半径(11nm左右)、粒径分布范围小、没有硬团聚生成等等，这和氮化镓本身性质有很大的关系。由于制备粒径均匀的纳米材料通常采用快速成核、快速终止的方法，但是对于氮化镓来说，较高的合成温度、合成温度与分解温度较为接近和较强的离子键特征，使所期望的类似II-VI族量子点的制备完全不可能。目前只有单分子叠氮镓爆炸法和有机镓氮化合物热分解法，可以产生符合量子点要求的产物，但是也存在很多问题，如产出率很低、制备方法复杂、中间产物安全性差等。对于用于制备高质量一维氮化镓，中科院陈小龙小组采用球磨后的氮化镓粉末成功制备出高质量的氮化镓纳米棒和竹节棒，而对比没有球磨的氮化镓粉末作为前驱物，却没有相应的产物生成，这是由于球磨后氮化镓颗粒尺寸变小、表面面积增大，使得气化时能够获得高的源蒸汽压，这也表明小粒径氮化镓在制备过程中的重要性。
发明内容本发明的目的是针对现有制备技术中的问题，提供一种简单易行、安全可靠、能够大量制备粒径小于或等于玻尔激子半径且分布均匀的氮化镓纳米晶体的方法。
本发明的技术方案一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法，其特征在于制备方法分两步进行
第一步为采用溶胶凝胶法制备氧化镓/无定型碳混合物，操作步骤是1)将硝酸镓固体溶解到重量百分比浓度为62％的浓硝酸中，滴加饱和浓度的氨水到溶液中，使其pH值为7.5-8.2；2)将溶液加热到80℃时，缓慢添加柠檬酸固体粉末到溶液中，直到溶液呈现透明粘稠状，再持续搅拌2小时，然后停止加热，自然冷却后成为透明凝胶；3)将透明凝胶置于马弗炉中，在温度400℃下干燥15-45分钟，得到灰白色多层状粉末即为氧化镓/无定型碳混合物；第二步利用高温管式真空炉制备氮化镓纳米晶体，操作步骤是1)将氧化镓/无定型碳混合物粉末装入一个清洁的氧化铝瓷舟内，尽量使粉末在瓷舟底部均匀摊开，然后将瓷舟推入真空炉水平陶瓷管内并定位在中部高温区；2)将管式真空炉管口密封并与真空装置连接，排出管内的空气，然后充入氨气，并使氨气流量持续稳定在80ml/min；3)设定管式真空炉温度为850～950℃，将陶瓷管升温至设定温度，升温速率为8℃/min，当温度达到设定值后保温1小时，然后关闭氨气气流和电炉电源；4)向管式真空炉内通入氩气并使氩气流量持续稳定在100ml/min，待陶瓷管自然冷却到室温后，取出氧化铝舟，制得的产物即为浅黄色粉末状的氮化镓纳米晶体。
本发明的优点是利用该方法制得的氮化镓纳米晶体为六方相结构，平均粒径为10-11纳米且粒径稳定均匀，可用于制备高质量一维氮化镓或直接用作氮化镓量子点复合材料；本发明提供的制备方法原理简单、操作易行、产出率高，适于批量生产。
具体实施方式
实施例1一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法，两步进行第一步为采用溶胶凝胶法制备氧化镓/无定型碳混合物，操作步骤是1)将6g硝酸镓固体溶解到重量百分比浓度为62％的10ml浓硝酸中，滴加饱和浓度的氨水到溶液中，使其pH值为7.5-8.2；2)将溶液加热到80℃时，缓慢添加柠檬酸固体粉末到溶液中，直到溶液呈现透明粘稠状(柠檬酸固体粉末的添加量约为30g)，再持续搅拌2小时，然后停止加热，自然冷却后成为透明凝胶；3)将透明凝胶置于马弗炉中，在温度400℃下干燥40分钟，得到灰白色多层状粉末即为氧化镓/无定型碳混合物；第二步利用高温管式真空炉制备氮化镓纳米晶体，操作步骤是1)将1g氧化镓/无定型碳混合物粉末装入一个清洁的氧化铝瓷舟内，尽量使粉末在瓷舟底部均匀摊开，然后将瓷舟推入真空炉水平陶瓷管内并定位在中部高温区；2)将管式真空炉管口密封并与真空装置连接，排出管内的空气，然后充入氨气，并使氨气流量持续稳定在80ml/min；3)设定管式真空炉温度为850℃，将陶瓷管升温至设定温度，升温速率为8℃/min，当温度达到设定值后保温1小时，然后关闭氨气气流和电炉电源；4)向管式真空炉内通入氩气并使氩气流量持续稳定在100ml/min，待陶瓷管自然冷却到室温后，取出氧化铝舟，制得的产物即为浅黄色粉末状的氮化镓纳米晶体。
实施例2一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法，制备步骤与实施例1完全相同，但管式真空炉的设定温度为900℃，制得的产物亦为浅黄色粉末状的氮化镓纳米晶体。
实施例3一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法，制备步骤与实施例1完全相同，但管式真空炉的设定温度为950℃，制得的产物亦为浅黄色粉末状的氮化镓纳米晶体。
现利用X射线粉末衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能量散射X射线能谱仪(EDS)以及紫外可见光吸收光谱计(UV-vis U4100型)和傅立叶红外吸收光谱(FTIR)，对上述三个实施例所制得的氮化镓纳米晶体进行检测分析。
利用X射线粉末衍射分析仪测试表明上述三个实施例所制得的氮化镓纳米晶体在扫描角度范围内，所有可以探测到的衍射峰能够指标化到纤锌矿型六方相GaN，经过计算得到其晶胞参数a＝3.191，c＝5.198，这与标准粉末衍射卡片JCPDS(卡片号JCPDS 76-0703)列出的六方相GaN的衍射数据相吻合；在仪器的探测极限内没有发现有其他晶态物质的衍射峰，表明产物是纯的六方相晶体结构的GaN；宽的半峰宽数据采用谢乐公式计算，晶体颗粒的大小为10-11纳米；透射及扫描电镜照片表明产物粒径相对均匀，电子束颜色(ED)照片表明其具有六方相结构和较好的结晶度；能量散射X射线能谱仪(EDS)的检测结果表明镓氮比接近1∶1；傅立叶红外吸收光谱(FTIR)观察到只属于Ga-N键的吸收峰，没有Ga-O键的吸收峰，表明产物中的Ga主要由Ga-N键的形式存在；紫外可见光吸收光谱计(UV-vis U4100型)测得的吸收光谱与块状氮化镓本征吸收(365nm，3.4eV)光谱对比，均表现了明显的蓝移峰，说明本方法制备的氮化镓纳米晶体表现出一定的量子尺寸效应。
权利要求
一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法，其特征在于制备方法分两步进行第一步为采用溶胶凝胶法制备氧化镓/无定型碳混合物，操作步骤是1)将硝酸镓固体溶解到重量百分比浓度为62％的浓硝酸中，滴加饱和浓度的氨水到溶液中，使其pH值为7.5-8.2；2)将溶液加热到80℃时，缓慢添加柠檬酸固体粉末到溶液中，直到溶液呈现透明粘稠状，再持续搅拌2小时，然后停止加热，自然冷却后成为透明凝胶；3)将透明凝胶置于马弗炉中，在温度400℃下干燥15-45分钟，得到灰白色多层状粉末即为氧化镓/无定型碳混合物；第二步利用高温管式真空炉制备氮化镓纳米晶体，操作步骤是1)将氧化镓/无定型碳混合物粉末装入一个清洁的氧化铝瓷舟内，尽量使粉末在瓷舟底部均匀摊开，然后将瓷舟推入真空炉水平陶瓷管内并定位在中部高温区；2)将管式真空炉管口密封并与真空装置连接，排出管内的空气，然后充入氨气，并使氨气流量持续稳定在80ml/min；3)设定管式真空炉温度为850～950℃，将陶瓷管升温至设定温度，升温速率为8℃/min，当温度达到设定值后保温1小时，然后关闭氨气气流和电炉电源；4)向管式真空炉内通入氩气并使氩气流量持续稳定在100ml/min，待陶瓷管自然冷却到室温后，取出氧化铝舟，制得的产物即为浅黄色粉末状的氮化镓纳米晶体。
全文摘要
一种用溶胶凝胶法制备氮化镓纳米晶体的方法分两步进行首先采用溶胶凝胶法制备氧化镓/无定型碳混合物，即将硝酸镓溶解到浓硝酸中，滴加浓氨水调节pH值；将溶液加热并添加柠檬酸，搅拌2小时冷却后成为透明凝胶；将其置于马弗炉中，在高温下干燥；第二步利用管式真空炉制备氮化镓纳米晶体，即将氧化镓/无定型碳混合物装入陶瓷管内，排出空气充入氨气；在温度850～950℃下保温1小时；再通入氩气冷却后制得氮化镓纳米晶体。本发明的优点是制得的氮化镓纳米晶体为六方相结构，平均粒径为10－11纳米且粒径均匀，可用于制备高质量一维氮化镓或直接用作氮化镓量子点复合材料；本方法简单易行、产出率高，适于批量生产。
文档编号C01B21/00GK1944268SQ20061001627
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者邱海林 申请人:国家纳米技术与工程研究院