一种稀土元素Sm掺杂GaN纳米线的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体纳米材料及其制备的技术领域，涉及半导体材料的制备及室温铁磁性研宄，并主要关注室温铁磁性的Sm掺杂GaN粉体的制备。
【背景技术】
[0002]GaN基材料是第三代宽带隙半导体典型代表，其带隙宽度为3.39 eV，近带边发光位置在可见光范围之内，因此在工业领域具有广泛的价值。GaN基材料是制备各种光电子器件的理想材料之一，如发光二极管(LED)，紫外探测器，激光二极管(LD)等高频高温电子器件
目前，稀土元素Sm掺杂GaN纳米材料的研宄主要集中在利用金属有机化学气相沉积法或分子束外延法合成GaN薄膜，再利用离子注入法制备稀土元素Sm掺杂GaN薄膜，退火后进行形貌、光学、磁学等方面表征，但实验中尚未关于稀土元素Sm掺杂GaN纳米线的报道。
[0003]离子注入法:2002年，John B.Gruber等人首先利用金属化学有机气相沉积法合成出 GaN 薄膜，再利用不同剂量的(3X 1013、7X 1013、8X 1013、L 8X 1013、4X 1012、9X 1012)Sm注入GaN薄膜中，并对其光学性质进行表征。参阅Journnal of Applied Physics，第91卷第2929-2935页。2009年，姜丽娟利用同样的方法制备出Sm掺杂GaN薄膜，并对其磁学性质进行研宄。参阅 China Physics Letters，第 26 卷第 077502-1 至 077502-3 页。
[0004]由文献调研及相关资料可知，金属有机化学气相沉积法的设备及反应前驱物较为昂贵，一般而言，前驱物均为一定的毒性，且易于燃烧，在反应结束后，需要对反应产物进行无害化处理。利用常压化学气相沉积法制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线可以克服上述缺点，该方法制备的纳米线材料具有纯度高，易于控制一维生长，得到较高长径比的GaN纳米线。产物易于重复，对环境危害小、易于推广等优点，因此可广泛应用于II1- V族半导体的制备。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于，提供一种通过化学气相沉积法制备具有室温铁磁的Sm掺杂GaN纳米线的方法以解决现有技术制备工艺复杂、成本高等问题。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源，以获得磁性能可调控的粉体。本方法简单易行、成本低、所有原料都很常见，可以实现工业化生产。
[0006]本发明是通过以下工艺过程实现的:
制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线。所用系统由硅钼棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。这种制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线的方法用以解决现有技术制备工艺复杂、成本高等问题。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm 203粉体作为Sm源。称取适量的Ga2O3和Sm2O3粉体，放置到玛瑙研钵中充分混合。将均匀混合后的粉体盛放到陶瓷舟中，并将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?25cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉。启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至1X10_3 Pa，目的为除去系统中残留的水气和氧气。通入Ar气，并对管式炉进行加热。在Ar气保护下对管式炉进行加热，当温度达到设定温度(1100 °C)时，将Ar气换为一定流量(150 sccm)的见13气并保温2 h。然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温。最后在Si衬底上收集一层沉积物。将样品封存备用。
[0007]与现有技术相比，本发明的特点在于:直接化学气相沉积法制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线，其工艺简单，易于控制。本实验产物对环境污染小，可控性好，易于推广，因而具有重要的研宄价值和广阔的应用前景。
[0008]图1为不同浓度Sm掺杂GaN纳米线样品的SEM图:预掺杂量分别为(a)z=0%，(b)z=5%, (c) z= 10%, z= 15%。
[0009]图2为不同浓度Sm掺杂GaN粉体样品的XRD图。
[0010]图3为未掺杂的GaN样品的磁滞回线图。
[0011]图4为预掺杂量15%时的GaN样品的磁滞回线图。
【具体实施方式】
[0012]实施例1
制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线。所用系统由硅钼棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源。称取0.3 g的Ga203。将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?25cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉。启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至1X10_3 Pa，目的为除去系统中残留的水气和氧气。通入Ar气，并对管式炉进行加热。在Ar气保护下对管式炉进行加热，当温度达到1100 °0时，将Ar气换为150 sccm的见13气并保温2 ho然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温。最后在Si衬底上收集一层沉积物。将样品封存备用。
[0013]实施例2
制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线。所用系统由硅钼棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源。称取0.3000 g的Ga2O3和0.0296 g Sm 203粉体，放置到玛瑙研钵中充分混合。将均匀混合后的粉体盛放到陶瓷舟中，并将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?20 cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉。启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至1X10_3 Pa，目的为除去系统中残留的水气和氧气。通入Ar气，并对管式炉进行加热。在Ar气保护下对管式炉进行加热，当温度达到1100 °0时，将Ar气换为150 sccm的见13气并保温2 h。然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温。最后在Si衬底上收集一层沉积物。将样品封存备用。
[0014]实施例3
制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线。所用系统由硅钼棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源。称取0.3000 g的Ga2O3和0.0620 g Sm 203粉体，放置到玛瑙研钵中充分混合。将均匀混合后的粉体盛放到陶瓷舟中，并将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?20 cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉。启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至1X10_3 Pa，目的为除去系统中残留的水气和氧气。通入Ar气，并对管式炉进行加热。在Ar气保护下对管式炉进行加热，当温度达到1100 °0时，将Ar气换为150 sccm的见13气并保温2 h。然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温。最后在Si衬底上收集一层沉积物。将样品封存备用。
[0015]实施例4
制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线。所用系统由硅钼棒加热的水平管式炉、气路系统和真空系统组成。采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源。称取0.3000 g的Ga2O3和0.0985 g Sm 203粉体，放置到玛瑙研钵中充分混合。将均匀混合后的粉体盛放到陶瓷舟中，并将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?20 cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉。启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至1X10_3 Pa，目的为除去系统中残留的水气和氧气。通入Ar气，并对管式炉进行加热。在Ar气保护下对管式炉进行加热，当温度达到1100 °0时，将Ar气换为150 sccm的见13气并保温2 h。然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温。最后在Si衬底上收集一层沉积物。将样品封存备用。
[0016]所得的不同Sm预掺杂GaN纳米线。SEM观察Sm掺杂GaN纳米线，随着预掺杂量的增加，纳米线的径向尺寸变化不大，轴向尺寸相对缩短，且纳米线的表面的粗糙度也相应增加，如图1。未掺杂和不同Sm预掺杂的GaN纳米线的XRD谱显示为纤锌矿GaN结构(ICDD-PDFN0.50-0792)，如图2。在室温下，未掺杂GaN粉体显示弱的铁磁性，如图3，饱和磁化强度Ms为2.5X 10_5 emu/cm2，矫顽力H。为25 Oe0预掺杂量为15%的GaN纳米线的饱和磁化强度 Ms 为 6 X 10 5 emu/cm2，矫顽力 Hc为 110 0e，如图 3。
[0017]由以上实例可以看出，采用化学气相沉积法制备的Nd掺杂GaN纳米线具有室温铁磁性，其产物均匀性好、可控性好、工艺简单、成本低的特点，因而具有重要的研宄价值和广阔的应用前景。
【主权项】
1.一种稀土元素Sm掺杂GaN纳米线的制备方法，其特征在于通过以下工艺实现:利用化学气相沉积法制备了稀土元素Sm掺杂的GaN纳米线；采用高纯Ga2O3粉体和NH 3气分别作为Ga源和N源，高纯Sm2O3粉体作为Sm源；称取适量的Ga 203和Sm 203粉体，放置到玛瑙研钵中充分混合；将均匀混合后的粉体盛放到陶瓷舟中，并将其置于水平管式炉的中间部位，同时在据中心温区的下游20?25cm位置处放置Si衬底，密封水平管式炉；启动机械泵和分子泵对系统抽真空，将炉内真空度抽至IX 10_3 Pa ;通入Ar气，加热至1100摄氏度时，将Ar气换为150 sccm的順3气并保温2 h ;然后停止加热，关掉氨气，通入氩气并冷却到室温；最后在Si衬底上收集一层沉积物；将样品封存备用。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用Ga、N、Sm源分别为Ga203和NH 3气和Sm2O303.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Si衬底位置位于中心温区下游20?25cm位置。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，系统真空抽至IX 10 _3 Pa。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热温度为1100摄氏度，保温2小时。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用的氨气气流速率为150sccmo
【专利摘要】本发明公开了一种制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线的制备方法：本方法为化学气相沉积法制备稀土元素Sm掺杂GaN纳米线，反应系统主要有真空系统、气路系统和水平管式炉三部分组成，高纯Ga2O3粉、高纯Sm2O3、NH3分别作为Ga源、Sm源和N源，称取一定比例的Ga2O3和Sm2O3粉体，研磨均匀混合后盛放到陶瓷舟中，一并置于炉管中央，同时下游低温区放置Si衬底，密封，将系统压强抽至1×10-3Pa，通入Ar，加热至1100℃时，改通NH3，保温2小时，将NH3转换为Ar，冷却至室温，取出Si衬底封存。
【IPC分类】B82Y40/00, B82Y30/00, C23C16/34, C01B21/06
【公开号】CN104894531
【申请号】CN201510172966
【发明人】简基康, 程章勇
【申请人】新疆大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月14日