非晶GaN薄膜的制备及性能和碳纳米管的LB排布

摘要

本论文分两个部分：第一部分对非晶氮化镓(a-GaN)薄膜的制备与光学性能进行了研究；第二部分探索了采用Langmuir-Blodgett(LB)技术对单壁碳纳米管的排布和机理。 近年来，以GaN为代表的第三代半导体材料由于其独特的物理特性和在光电应用领域的潜力成为科学研究的热点和前沿。本文研究了a-GaN材料的制备方法及其光学性能，具有重要的理论价值与现实意义。获得了以下几方面研究结果。 采用直流反应溅射方法在不同的Ar分压、不同的基片温度下制备了a-GaN薄膜，并进行了不同气氛和不同温度下的退火处理。 利用多种结构与性能分析手段对薄膜的结构与光学性能进行了表征，表明GaN薄膜为非晶结构，薄膜中的主要化学键为Ga-N键。光致发光谱中360 nm处的发光峰来自a-GaN的带.带跃迁，在可见光区没有发光峰，表明a-GaN的带隙态密度很低。 由UV-Vis谱得到了薄膜的吸收光谱、光学带隙、折射系数和消光系数。采用基于量子微扰理论的方程对于Urbach带尾进行拟合，得到与实验相符的拟合结果，拟合参数数值表明a-GaN具有宽的带隙、低的折射率和大的Urbach带尾。用椭偏光谱仪直接测量了薄膜的折射率，表明薄膜为非晶结构。 研究了Ar对a-GaN薄膜性质的影响。结果表明：Ar分量对薄膜的沉积速率具有较大影响；薄膜在可见光区的透过率、光学带隙都随Ar分量的增加而减小，表明薄膜中存在未成键金属性Ga；吸收系数在低能范围的值较小，表明a-GaN在禁带的态密度很低；描述吸收跃迁宽度的特征能量参数数值表明a-GaN的带尾比单晶GaN更宽。 研究了基片温度对薄膜性质的影响，结果表明：基片温度较高的薄膜形态为纳米GaN颗粒镶嵌在非晶GaN薄膜中，结晶性更好；随基片温度升高，薄膜的光学带隙明显变小，且基片温度较低时禁带中缺陷态较多。 研究了不同气氛下、不同温度下的退火处理对薄膜光学性质的影响。随着退火温度的升高，在O2气氛下退火后光学带隙逐渐变小，且吸收边变陡峭。而NH3、N2退火对薄膜的光学性质影响较小。 碳纳米管作为一维纳米材料以其优异的性质在光电器件领域具有巨大的应用潜力。然而，通常方法制备的碳纳米管具有杂质，且无序排列，如何实现其纯化和大范围排列以适应未来光电器件的大规模集成化要求，是亟待解决的问题。本文正是针对这一问题，对单壁碳纳米管进行了提纯、功能化，并利用LB技术的液面排布转移法实现了碳纳米管沿着轴向大面积定向排列。得到了如下结论。 对电弧放电法制备的单壁碳纳米管纯化工艺进行了探索。表面活性剂十二烷基硫酸钠可有效剥离吸附在碳纳米管上的杂质。稀硝酸中温度较低的缓慢反应能减少对碳纳米管的腐蚀破坏。研究了高温氧化对于单壁碳纳米管的纯化作用。采用改进的纯化工艺获得的单壁碳纳米管管壁光滑，断管碎管少，结构完美，对称性好，纯度好。 对混酸(浓硫酸与浓硝酸)剪切单壁碳纳米管的研究表明：随着反应时间的增加，碳纳米管的长度减小；且反应时间越长，碳纳米管受到的腐蚀越大。 经酰氯化和直接加热反应两种方法，在单壁碳纳米管表面分别嫁接了十八烷基胺，获得了溶于有机溶剂的单壁碳纳米管。对嫁接机理进行了讨论。 采用LB工艺，用压缩.转移法在大面积的基片上制备了取向一致的碳纳米管的单层膜和多层膜。首次建立了单壁碳纳米管单层膜在亚相水面上受压运动的力学模型，对有序排列的机理进行了初步探索。对成膜的影响因素，包括温度、膜压、压缩速度、接触角、碳纳米管的长度等进行了研究和机理分析。通过多次转移获得层数可控、沉积质量良好的单壁碳纳米管多层膜。紫外-可见吸收谱表明随着层数的增加，薄膜对紫外光的吸收逐渐增强，且700 nm处的特征谱对应半导体型碳纳米管的带间跃迁。对于垂直于电极的排列，由于碳纳米管与金属电极接触产生的Schottky势垒，I-V曲线呈现非线性特征，且随着膜压的提高，电流增大。当单壁碳纳米管平行于电极排列时，两极间的电流显著减小。

目录

文摘

英文文摘

声明

非晶GAN薄膜的制备及性能：第一章绪论

1.1 GaN基半导体材料的研究概述

1.1.1 GaN基材料的研究历史和应用领域

1.1.2 GaN基材料的基本性质

1.2 a-GaN薄膜的研究

1.2.1非晶半导体的研究概述和应用领域

1.2.2非晶半导体的结构

1.2.3非晶半导体的能带特征

1.2.4非晶半导体的导电模型

1.2.5 a-GaN的研究历史

1.3 GaN薄膜的制备方法

1.3.1金属有机化学气相沉积

1.3.2分子束外延

1.3.3氢化物气相外延

1.3.4溅射

1.4本文的指导思想和研究内容

1.5本章小结

参考文献

非晶GAN薄膜的制备及性能：第二章GaN材料的制备与表征

2.1材料的制备原理

2.1.1溅射概述

2.1.2溅射系统

2.2本文采用的实验设备

2.2.1溅射系统

2.2.2退火设备

2.3样品的表征方法

2.3.1 X射线衍射

2.3.2傅立叶变换红外光谱

2.3.3拉曼光谱

2.3.4透射电子显微镜

2.3.5薄膜厚度和折射率的测量

2.3.6荧光分光光度计

2.3.7紫外-可见分光光度计

2.4本章小结

参考文献

非晶GAN薄膜的制备及性能：第三章 a-GaN薄膜的制备与光学性质的研究

3.1 a-GaN薄膜的制备与退火处理

3.1.1基片清洗

3.1.2薄膜的沉积

3.1.3退火处理

3.2 a-GaN薄膜的结构与光学性质的研究

3.2.1 X射线衍射分析

3.2.2拉曼光谱分析

3.2.3傅立叶红外光谱分析

3.2.4室温光致发光谱

3.3 a-GaN薄膜的紫外-可见光谱研究

3.3.1紫外-可见光谱

3.3.2消光系数和普通折射率：

3.4 Ar/N2流量比对a-GaN薄膜性质的影响

3.4.1椭圆偏振光谱

3.4.2紫外-可见光谱

3.5基片温度对a-GaN薄膜性质的影响

3.5.1 X射线衍射分析

3.5.2紫外-可见吸收光谱分析

3.6退火处理对薄膜光学性质的影响

3.7本章小结

参考文献

非晶GAN薄膜的制备及性能：第四章结论与展望

4.1本文的主要结论

4.2下一步工作展望

参考文献

碳纳米管的LB排布：第一章绪论

1.1碳纳米管概述

1.1.1碳纳米管的研究历史

1.1.2碳纳米管的结构

1.1.3碳纳米管的特性

1.1.4碳纳米管的主要应用

1.2碳纳米管的制备

1.2.1碳纳米管的生长机理

1.2.2碳纳米管的制备方法

1.3碳纳米管的有序排列与操控的研究现状

1.3.1过滤法

1.3.2等离子体辅助化学气相沉积法

1.3.3模版法

1.3.4力场、电场、磁场引导法

1.3.5自组装和表面功能化方法

1.3.6原子力显微镜或扫描隧道显微镜操纵法

1.3.7电纺丝技术

1.3.8 Langmuir-Blodgget技术

1.4本文的选题背景和研究内容

1.4.1本文的选题背景

1.4.2本文的研究内容

参考文献

碳纳米管的LB排布：第二章单壁碳纳米管的纯化与功能化

2.1样品的制备和测试

2.1.1样品的制备

2.1.2样品的结构表征与性能测试

2.2单壁碳纳米管的纯化

2.2.1碳纳米管的纯化概述

2.2.2单壁碳纳米管的纯化实验

2.2.3纯化结果讨论

2.2.4纯化机理分析

2.3单壁碳纳米管的剪切

2.3.1碳纳米管剪切的概述

2.3.2单壁碳纳米管的剪切实验

2.3.3剪切结果讨论

2.4碳纳米管的功能化

2.4.1功能化实验过程

2.4.2功能化结果讨论

2.5小结

参考文献

碳纳米管的LB排布：第三章采用 Langmuir-Blodgett技术对碳纳米管的排布

3.1 Langmuir-Blodgett膜概述

3.2实验部分

3.2.1溶剂的选择与溶液的配制

3.2.2基片的处理

3.2.3采用LB装置制备取向排列的单壁碳纳米管薄膜

3.2.4结构与性能表征

3.3实验结果讨论

3.3.1碳纳米管排布模型的建立

3.3.2膜压-面积曲线分析

3.3.3影响LB膜的因素

3.3.4多层碳纳米管膜

3.4小结

参考文献

碳纳米管的LB排布：第四章结论与展望

4.1本论文的主要结论

4.2下一步工作展望

在学期间的研究成果

致谢