专利名称：通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法
技术领域：
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及立方晶系一维InN纳米结构的制备，具体 为一种通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法。
背景技术：
一维纳米结构是目前纳米科技和凝聚态物理研究中最为前沿的课题之一。它们具有 优越的物理性能，是构造纳米尺度元器件如激光器、传感器、场效应晶体管、发光二极 管、逻辑线路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元。尤其是半导体纳米线，它 不仅能用于基本构件，还可以用来连接各种纳米器件。通过对半导体纳米线的深入研究， 可望在单一纳米线上制备具有复杂功能的电子、光子和自旋信息处理器件。另外，从纳 米线和纳米颗粒出发可合成丰富多彩的各种复合纳米材料。通过原子尺度上的性能设计 和结构控制，这些复合纳米材料将具有优异的物理和化学性能，在电子材料、磁性材料、 光学材料、催化剂材料等方面有广阔的应用前景。
InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速 度，以及具有最小的有效电子质量。同时其电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理 想的高速，高频晶体管材料。由于InN材料是直接带隙材料，其带隙值的最新研究结果 表明为0.6ev-0.7ev，这使得In卜xGaxN三元合金材料的能隙范围能够随合金中In组分x的变 化，从lnN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由调节，它提供了对应于太阳能光谱几乎完 美的对应匹配能隙，这为设计新型高效太阳能电池提供了极大的可能。理论上，基于InN 材料的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率72 %。因为本征带隙的减小，使得InN的发光波长达到了1.55um，这样人们就可以用III族 氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到红外光范围，并一直延伸 到长波长通讯波段，使得光通讯器件制备可选用材料得到更大的丰富。同时InN以其独 特的优良特性有可能为光通讯器件的发展带来新的突破。目前，由于InN不稳定容易分 解或被氧化，而且缺乏晶格匹配的衬底，这给InN—维纳米结构的制备带来了很大困难， 相关研究报道仍然很少。对InN材料才仅仅开始，而对InN纳米线或纳米棒材料研究几乎 没有开展。因此，对InN纳米材料的研究是很有意义的，而且也是很有必要的。
发明内容
本发明要解决的问题是InN—维纳米结构的制备存在困难，需要一种简单实用的 制备方法来制备高质量的InN纳米线和纳米棒。
本发明的技术方案是通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，以GaAs 或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳 米棒。
本发明方法使用管式电子加热炉，通入保护气体氮气和反应气体氨气，并将管式电
子加热炉加热到50(TC — 110(rC;金属铟放置在石英舟内，石英舟放置在管式电子加热炉
中心，沿加热炉内的气体流动方向，在石英舟后面设有石墨基底，衬底放置在石墨基底
上，并设置在加热炉50(TC-9(XrC的温区范围内；900°C时金属铟开始汽化，同时氨气开
始分解，铟蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向管式电子加热炉后端输运，
到达衬底位置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒。反应在常 压下进行，通入的保护气体氮气和反应气体氨气的流速从OL/min逐渐升至10L/min后 保持，使用的金属铟纯度99.99%，氨气纯度99.999%，氮气纯度99.9995%,优选衬底 设置在加热炉的55(fC温区。
本发明所使用的GaAs或Si或蓝宝石衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(IIO) 面或(111)面，纳米线和纳米棒生长在衬底的自然解理面上。
本发明InN纳米线和纳米棒通过气相传输法在衬底的解理面如(110)面或(111) 面上生长，其主要的反应方程式是
2 In (s) + 2 NH3 (g) = 2固(s) +3 H2 (g) 该方法简单易行，在常压情况下即可进行，且不需要催化剂，生产成本低，且产量较高。 所制备的纳米线和纳米棒从GaAs、 Si或蓝宝石等衬底材料的某一解理面如(110)面或 (111)面向外生长，领U试结果表明纳米线为沿着确定的[100]或[110]方向生长的六方晶 系等一维纳米结构，其直径非常均匀，约为50nm ，长度一般为10-15pm;制备得到的 纳米棒为沿着
方向生长的立方晶系结构，其直径约400nm，为顶端逐渐减小的针尖 结构。
本发明通过气相传输法在GaAs或Si或蓝宝石衬底上生长InN纳米线和纳米棒，该 方法简单实用，无需催化剂，在常压下即可进行，且生长的纳米线为六方晶系单晶结构， 纳米棒为立方晶系单晶结构，质量高，本发明方法是一种得到立方晶系一维InN纳米结 构的有效途径。
图l:本发明所使用的电子加热炉示意图。 图2:本实验制备得到产物的XRD图谱。
图3a:在GaAs的自然解理面(110)面上制备得到的纳米线和纳米棒的SEM图。
图3b:本发明发明方法生成的典型的单根纳米线的SEM照片。
图3c:本发明方法生成的典型的纳米棒的SEM照片。
图4a:单根InN纳米线的TEM明场像。
图4b:单根InN纳米线的SAED图谱。
图4c:单根InN纳米线的HRTEM图像。
图5a:单根InN纳米棒的TEM明场像。
图5b:单根InN纳米棒的SAED图谱。
图5c:单根InN纳米线的HRTEM图像。
具体实施例方式
本发明使用的主要设备是电子加热炉，如图1，其中热电偶1，管式电子加热炉 配备有温控设备，温控设备通过获取热电偶1反馈的温度信息从而控制加热脉冲和加热 温度；石英反应腔2;进气通道3，氮气和氨气由此端进入，并通过流量计控制其流量； 石英舟4，用于盛放金属铟块；金属铟块5，纯度为99.99%;石墨基底6，用于放置衬 底；衬底7，以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，切片使其为某一自然解理；尾气排出端 8，通过管式电子加热炉管道排出气体并收集处理所得产物。
InN纳米线和纳米棒制备前
1) 用去离子水清洗石英管，晾干；
2) 500。C至U90(TC低温区域的确定
在制备之前，先向管式电子加热炉内通入氮气(99.9995%)，流速从OL/min 升至10L/min，并将加热炉的中心温度加热到70(fC到1000°C，到温度和气流稳 定后测试得到加热炉中气流后端500。C一卯0。C低温区域的位置。 InN纳米线和纳米棒的制备
1) 将金属铟块(99.99%)放入石英舟中，并将石英舟放入到石英反应腔的中心位置；
2) 使用GaAs(001)做衬底，将GaAs衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(IIO) 面或(111)面，放置在石墨基底上，并将石墨基底设置在500。C一90(TC低温区域 的位置，优选550°(:的位置；3) 向管式电子加热炉通入氮气，根据需要生长纳米线或棒的长短等要求，保持时间 5分钟到10小时不等，流速由0L/min升至10L/min并保持；
4) 管式电子加热炉温度加热到700°C—1000°C，停止通入氮气，通入氨气(99.999%), 流速由OL/min升至10L/min并保持，在900_1000°C下金属铟汽化，同时氨气开始 分解，铟蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向加热炉后端输运，到达衬 底位置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒，根据需要生 长纳米线或棒的长短等要求，反应时间5分钟到10小时不等；
5) 等到了上述设定时间关闭氨气通入氮气，流速OL/min到10L/min，自然冷却降温；
6) 自然冷却到室温，关闭氮气，取出衬底保存。
用X射线粉末衍射仪(XRD)，选区电子衍射(SAED)，高分辨透射电镜(HRTEM)， 透射电镜(TEM)，扫描电镜(SEM)等方法对产物的晶体结构，表面形貌等进行分析。
图2为得到产物的XRD图谱，从图谱中可以看到立方晶系和六方晶系两种不同的 相，其中31.0。(U1)和35.9。(200)的立方晶系InN的峰对应的晶格常数为c^4.99A。而 5L7。(110)和57.0。(103)的六方晶系InN的峰对应的晶格常数为otf3.535 A和cf5.705 A。
图3a为在GaAs的自然解理面(110)面上制备得到的纳米线和纳米棒的SEM图， 从图可以看到所制备的纳米线和纳米棒从GaAs的解理面(110)向外生长；图3b为生 成的典型的单根纳米线的SEM照片，由图可以看到单根纳米线的表面光滑，直径均匀。 图3c为生成的典型的纳米棒的SEM照片，可以看到制备得到的纳米棒其直径不均匀， 为顶端逐渐减小的针尖结构。
图4a为单根InN纳米线的TEM明场像，由图可以看到单根纳米线的直径约为50nm; 图4b为单根InN纳米线的SAED图谱；图4c为单根InN纳米线的HRTEM图像，可以 计算得到其晶面间距为0.30nm，这正好和六方晶系InN的(100)面的晶面间距相等， 结合同时拍摄的TEM明场像中InN纳米线的方向以及SAED图谱可以判断其具有六方 晶系结构，且沿着[100]方向生长。
图5a为单根InN纳米棒的TEM明场像，图5b为单根InN纳米棒的SAED图谱， 图5c为单根InN纳米线的HRTEM图像，可以计算得到其晶面间距分别为0.35nm和 0.50nm，这正好与立方晶系InN的(022)和(100)面的晶面间距相等，结合同时拍摄的TEM 明场像中InN纳米棒的方向以及SAED图谱可以判断其具有立方晶系结构，且沿着[Oll] 方向生长。
权利要求
1、通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特征是以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳米棒。
2、 根据权利要求1所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特 征是使用管式电子加热炉，通入保护气体氮气和反应气体氨气，并将管式电子加热炉加 热到50(TC—110(TC;金属铟放置在石英舟内，石英舟放置在管式电子加热炉中心，沿加 热炉内的气体流动方向，在石英舟后面设有石墨基底，衬底放置在石墨基底上，并设置 在加热炉50(TC-90(rC的温区范围内；900°C时金属铟开始汽化，同时氨气开始分解，铟 蒸汽和分解了的氨气发生反应，同时随着气流向管式电子加热炉后端输运，到达衬底位 置时，在衬底的解理面上沉积成核，生长出InN纳米线和纳米棒。
3、 根据权利要求2所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，其特 征是反应在常压下进行，通入的保护气体氮气和反应气体氨气的流速从OL/min逐渐升 至10L/min后保持，使用的金属铟纯度99. 99%，氨气纯度99. 999%，氮气纯度99. 9995%， 衬底设置在加热炉的550°C温区。
4、 根据权利要求1或2或3所述的通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方 法，其特征是将所使用的GaAs或Si或蓝宝石衬底材料切片，使其自然解理，解理面为(110)面或(111)面，纳米线和纳米棒生长在衬底的自然解理面上。
全文摘要
本发明通过气相传输法制备InN纳米线和纳米棒的方法，以GaAs或Si或蓝宝石做为衬底，通过气相传输法在衬底的自然解理面上生成InN纳米线和纳米棒，该方法简单实用，无需催化剂，在常压下即可进行，且生长的纳米线为六方晶系单晶结构，纳米棒为立方晶系单晶结构，质量高，本发明方法是一种得到立方晶系一维InN纳米结构的有效途径。
文档编号C01B21/00GK101289172SQ20081002343
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者修向前, 斌 刘, 刘启家, 荣 张, 毅 施, 朱顺明, 弋 李, 江若琏, 超 聂, 胡立群, 谢自力, 红 赵, 郑有炓, 平 韩 申请人:南京大学