采用化学气相沉积法制备Zn掺杂p型β-Ga2O3纳米线的方法

摘要

本发明公开一种采用化学气相沉积法制备Zn掺杂p型β-Ga2O3纳米线的方法，按如下步骤进行：在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为1~50nm的金属催化剂；将镓源和锌源按质量比充分混合制成反应源材料；将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料1~2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为50~500ml/min；当加热温度达到600～1100℃时通入氧气，氧气流量为1～5ml/min，保持15~30分钟；关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Zn掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的制备方法，尤其是一种采用化学气相沉积（CVD）法制备Zn掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的方法。

背景技术

β-Ga₂O₃是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度达4.9eV，是目前所知道的禁带宽度最大的氧化物透明材料。由于其具有优良的电学、光学、传导及热稳定性能，使其在光电器件、紫外探测器和气敏传感器等多个领域都有着广阔的应用前景。但由于本征β-Ga₂O₃是n型半导体材料，为了实现β-Ga₂O₃纳米材料在光电器件上的应用，p型β-Ga₂O₃纳米材料的制备必不可少。化学气相沉积（CVD）

方法具有设备简单、操作容易、生产成本低等优势，已广泛用于纳米材料的制备。但由于p型β-Ga₂O₃纳米材料掺杂较难，且纳米材料受生长条件影响较大，因此，迄今为止未见采用CVD方法以镓源和锌源来生长Zn掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的相关文献报道。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种利用化学气相沉积（CVD）法制备Zn掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的方法。

本发明的技术解决方案是：一种采用化学气相沉积法制备Zn掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的方法，其特征在于按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为1~50nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金、银、铂中的一种；

b.将镓源和锌源按质量比2~100:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度至少为99%的镓单质或镓的固态化合物；所述锌源为锌粉或氧化锌粉末与碳粉的混合粉，所述混合粉中氧化锌粉末与碳粉的质量比为2~10:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料1~2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为50~500ml/min；当加热温度达到600～1100℃时通入氧气，氧气流量为1～5ml/min，保持15~30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

本发明是利用化学气相沉积方法，将金属催化剂蒸镀于衬底上，在金属催化剂的作用下，完成锌掺杂p型β-Ga₂O₃纳米线的制备，具有设备简单、操作容易、生产成本低等优点，克服p型β-Ga₂O₃纳米线制备困难的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1所得样品的扫描电子显微镜照片。

图2是本发明实施例2所得样品的扫描电子显微镜照片。

图3是本发明实施例3所得样品的扫描电子显微镜照片。

图4是本发明实施例4所得样品的扫描电子显微镜照片。

图5是本发明实施例5所得样品的扫描电子显微镜照片。

图6是本发明实施例6所得样品的扫描电子显微镜照片。

图7是本发明实施例7所得样品的扫描电子显微镜照片。

图8是本发明对比例1所得样品的扫描电子显微镜照片。

图9是本发明对比例2所得样品的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

实施例1~7及对比例1~2系采用现有的简单化学气相沉积设备，如管式炉等。衬底采用蓝宝石衬底，衬底的清洗方法亦同现有技术，

实施例1：

按如下步骤进行：

a.首先在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉末与碳粉的混合粉，氧化锌粉末与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料1cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到00℃时通入氧气，氧气流量为2ml/min，保持15分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图1所示。

实施例2：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比7:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉末与碳粉的混合粉，氧化锌粉末与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料1cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为2ml/min，保持15分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图2所示。

实施例3：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比5:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉末与碳粉的混合粉，氧化锌粉末与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料1cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为2ml/min，保持15分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图3所示。

通过扫描电子显微镜可以看出本发明实施例1、2、3的样品表面为纳米线状结构，并且发现随着锌粉量的增加纳米线的尺寸变得不均匀。此外，在能量色散谱中除了存在Ga与O信号外，也检测到了Zn元素的存在，并且随着单质镓与氧化锌粉末和碳粉的混合粉按质量比的降低，Zn的摩尔百分含量也随之增加。

实施例4：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为1ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图4所示。

实施例5：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为2ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图5所示。

实施例6：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为3ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图6所示。

实施例7：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为5ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图7所示。

通过扫描电子显微镜可以看出本发明实施例4、5、6、7制备的样品表面为纳米线状结构，同时可以看出氧气流量对样品的表面形貌影响较大。

对比例1：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为7ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图8所示。

对比例2：

按如下步骤进行：

a.在清洗干净的衬底上蒸镀一层厚度为20nm的金属催化剂，所述金属催化剂为金；

b.将镓源和锌源按质量比10:1充分混合制成反应源材料，所述镓源为纯度为99%的单质镓；所述锌源为氧化锌粉与碳粉的混合粉，氧化锌粉与碳粉的质量比为7:1；

c.将反应源材料及蒸镀有金属催化剂的衬底放入石英舟内，然后再将石英舟放入化学气相沉积系统生长室内的高温加热区，衬底位于气流下游距离反应源材料2cm处，通入高纯度氩气为载气，氩气流量为200ml/min；当加热温度达到900℃时通入氧气，氧气流量为10ml/min，保持30分钟；

d.关闭氧气，保持氩气流量，降温至100℃以下，取出样品。

所得样品的扫描电子显微镜照片如图9所示。

通过扫描电子显微镜可以看出本发明对比例1、2的样品表面为薄膜结构，证实了氧气流量对样品的表面形貌影响较大，随着氧气量的增加，样品表面的形貌由纳米线逐渐转变为薄膜结构。