一维ZnO、GaN纳米材料的制备和表征

摘要

低维纳米结构是当前纳米科学与技术领域一个重要的研究方向。自从1991年纳米碳管被日本NEC公司的Iijima教授发现后，已经对低维维纳米材料进行了大量广泛而深入的研究。它不仅对理解基本的物理现象具有重要意义，而且作为功能模块在构筑纳米器件方面具有极大的应用潜力，在光学、光电、催化、压电等领域有着独特而新颖的应用。ZnO和GaN作为宽禁带直接带隙半导体材料，有着丰富的结构和独特的性能，有着广泛的应用前景，因而目前ZnO和GaN材料，包括低维结构，成为研究的一大热点。 本文在综述目前ZnO和GaN一维纳米材料的制备方法的基础上，选择用热蒸发法成功制备出ZnO一维纳米结构，用MOCVD方法制备了GaN一维纳米结构，讨论了其形成机理，并对其性质进行了表征。主要研究内容和成果如下： (1)应用热蒸发方法在无催化剂条件下制备ZnO各种新型纳米结构，摸索出制备ZnO一维纳米结构的基本条件。其中温度和气体流量是生长中最为关键的两个因素； (2)用热蒸发法了成功实现了掺Al的ZnO纳米棒的制备：测试表明Al元素进入了ZnO，且在ZnO中作为深能级杂质，反映在PL谱中； (3)用Zn和CdCl2作为原料，首次通过热蒸发法在镀金的Si衬底上制备了准阵列化的ZnCdO纳米棒。最大Cd含量达到16.7at.％，远大于Cd在ZnO体材料中的固溶度。观察到带边发光有显著的红移(从3.21eV到3.04eV)，说明了Cd掺杂对ZnO在能带调制中的作用； (4)研究了纳米棒的拉曼光谱，说明了拉曼光谱中各种模式的频移与材料中应力的关系； (5)实验采用三甲基镓(TMG)为镓源，高纯蓝氨(NH3)为氮源，Ni(NO3)2作为催化剂前驱体，用MOCVD方法制备了GaN一维纳米材料，实验结果为国内首次使用MOCVD系统通过Ni催化法在Si衬底成功制备出GaN一维纳米结构。