专利名称：一种制备AlN单晶纳米带和纳米分支结构的方法
技术领域：
本发明属于纳米结构生长领域，首次用化学气相沉积法无催化剂辅助生长A1N单 晶纳米带和纳米分支结构。
背景技术：
氮化铝是一种重要的III-V族半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高压电系 数、低介电损耗、高温化学稳定性，其热膨胀系数与硅相近，是优选的高温结构材料。A1N还 具有高键能(2. 28ev)、直带隙和宽禁带(6. 28ev)、低的电子亲和势(< 0. 6ev)以及在蓝光 和紫光范围具有透光性，在声、光电子、场发射领域也有广泛的应用前景。另外，A1N与GaN 相似的晶格结构和不到的晶格失配度，使得在GaN基底上生长A1N异质结将成为光电器 件研究中的一个热门。近年来，由于一维纳米材料在尺寸、形貌、晶体取向上的不同，其物化性质与块体 材料有较大的区别，纳米材料的生长与形貌控制成为人们研究热点之一。在纳米材料中，一 维纳米材料，包括纳米带、纳米线等都有重要的技术应用前景。其中，纳米带具有一些独特 的物化性质。纳米带是研究维度限制传输现象的理想材料；纳米带作为传感器具有不可替 代的优势；纳米带也是一种有利于场电子发射的独特结构，其边缘的缺陷、台阶等部位都可 以促进电子的发射。相比之下，分支结构较少有文献报道。主要是由于分支结构制备过程 较难控制，有很大的随机性和不可控制性。文献中第一次报道无机纳米带材料是GaN。2000年，Li等人用升华法制备了 GaN 纳米带，并推测这种方法可以推广到其他的氮化物和氧化物纳米带的合成中，参阅Appl. Phys. A 2000年第71期第587页。2001年，Wang等人用简单的蒸发法获得了一系列的半 导体氧化物纳米带结构，参阅Science 2001年第291期第1947页。化学气相沉积法也是一种常用的制备纳米带的方法。例如用易挥发的金属或金属 氯化物等做前驱物，制得了 MgO、ZnO、A1203、Mo03、GaN、Ge3N4、Si3N4等纳米带。激光烧蚀法激发靶材可以合成SiC、B、ZnSe等纳米带。水热法也成为一种重要的制备纳米带的方法，如Ti02、Te、Mo03、CdS、Au、Ag、 Sb2Se3、Bi2S3、Ni、Mn02等纳米带均已通过水热法制备得到。化学气相沉积法在制备A1N纳米带、纳米分支结构方面的报道如下Tang小组在 较低的温度下用氧化物辅助的方法成功制备出A1N纳米带阵列，同时论证了 Fe203对生长 A1N纳米带阵列的至关重要性，参阅Diamond Relat. Mater. 2007年第16期第537页。通 过Co2+催化辅助的热化学气相沉积方法，Hu等人在1200°C采用直接氮化的方法在原位获 得了 A1N纳米带，参阅J.PhyS.Chem.B 2003年第107期第9726页。Liu等人在较高温 度(1250°C -1300°C )和较高氨气比例(NH3%> 25% )的条件下生长了 A1N蜂窝状的纳 米建筑结构，指出温度和氨气比例是影响形貌、尺寸、结晶性的两个重要因素，参阅Adv. Mater. 2005 年第 17 期第 110 页。由上述报道可以看出化学气相沉积法制备A1N纳米带需要引入氧化物或催化剂辅助，否则很难得到大面积、结晶性好的单晶纳米带。本发明是首次实现无催化辅助化学气 相沉积法生长A1N单晶纳米带和纳米分支结构。目前还没有报道使用这种方法制备出A1N 单晶纳米带和纳米分支结构。化学气相沉积被广泛应用于纳米结构的制备中，具有操作过 程简单、产物形貌丰富、成本较低、应用范围广等特点，可用于多种材料的粉体、薄膜、纳米 结构的制备。本发明不使用任何氧化物、催化剂、模板，一步即可实现，简单易行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无催化剂辅助下化学气相沉积法生长A1N单晶纳米 带和纳米分支结构的方法。本发明是通过以下工艺过程实现的将0. 2g纯度为99. 99%的A1粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声清 洗的多晶A1203基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处(衬底上没有沉积任何催化剂)，将 陶瓷舟置于管式炉的炉膛正中央区域。密闭好容器后开始抽真空，当刚玉管系统真空度达 到1X10_2帕时将流量为200Cm7min(SCCm)的氩气通入系统中。接着，对系统进行加热，当 炉温达到1400°C时通入流量为30sCCm的氨气，保持一小时。最后，停止加热系统当温度下 降至800°C时关掉氨气，在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后取出衬底，在衬底的 表面收集到白色的物质。所述A1N纳米带结构宽度为100nm-150nm，厚度为lOnnHBOnm，长度达到几十 微米。分支结构主干纳米线长度为几十微米，分支纳米棒长度为150nm-250nm，直径为 15nm_150nmo所述衬底为多晶A1203片。所述管式炉为电阻式加热炉，加热材料为硅钼棒，优选蒸发源直接平铺于陶瓷舟 内，衬底扣置于陶瓷舟上方。本发明制备出的纳米带和分支结构为A1 N，如图1所示，其表面形貌如图2，3所 示，高分辨透射电镜图如图4，5所示。本发明以氩气为载气，以铝粉和氨气为前驱物直接反 应，获得的A1N单晶纳米带和纳米分支结构具有沉积面积较大、形貌较均勻、结晶性好等特 点。同时，本发明未使用催化剂，方法简单，易于推广。
图1实施例1产品的EDX图谱。
图2实施例1产品的扫描电镜图片。
图3实施例1产品的扫描电镜图片。
图4实施例1产品的高分辨透射电镜图片。
图5实施例1产品的高分辨透射电镜图片。
图6实施例2产品的扫描电镜照片。
图7实施例3产品的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
将0. 2g纯度为99. 99%的A1粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声 清洗的多晶A1203基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处，将陶瓷舟置于管式炉的正中央 区域。密闭好容器后开始抽真空，当刚玉管系统真空度达到1X10_2帕时将流量为200cm3/ min(sccm)的氩气通入系统中。接着，对系统进行加热，当炉温达到1400°C时通入流量 为30sCCm的氨气，保持一小时。最后，停止加热系统当温度下降至800°C时关掉氨气，在 氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后取出衬底，在衬底的表面收集到白色的物质。 扫描电子显微镜分析显示衬底某个区域的表面形貌为纳米带，长度达到几十微米，宽度在 100nm-150nm之内，厚度在lOnnHBOnm之内，如图2所示。纳米带的高分辨透射电镜图片见 图4，显示其单晶特性。纳米分支结构富集于同一个衬底的不同区域，扫描电镜图片见图3， 纳米分支结构是由主干纳米线和垂直于主干的纳米棒分支组成，主干纳米线的长度达到几 十微米，分支纳米棒的长度为150-250nm，直径为15-150nm，如图3。纳米分支结构的高分辨 透射电镜图片如图5所示，显示其为单晶。EDX谱图分析结构显示产物为A1N。实施例2将0. 2g纯度为99. 99%的A1粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声 清洗的多晶A1203基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处，将陶瓷舟置于管式炉的正中央区 域。当系统真空度达到1X10_2帕时将流量为200Cm7min(SCCm)的氩气通入系统中。同时 对系统进行加热，当炉温达到1400°C时通入流量为30sCCm的氨气，保持半个小时。最后， 停止加热当温度下降至800°C时关掉氨气，在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后 取出衬底，在衬底的表面收集到灰白色的物质。扫描电镜分析显示衬底区域的形貌为纳米 带，长度为十微米左右，宽度为300nm左右，厚度为30-50nm。从更高的分辨倍数可以看出， 纳米带表面粗糙，少量的纳米带顶端呈现尖锥状。其扫描电镜照片如图6所示。实施例3将0. 2g纯度为99. 99%的A1粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声 清洗的多晶A1203基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处，将陶瓷舟置于管式炉的正中央 区域。密闭好容器后开始抽真空，当刚玉管系统真空度达到1X10_2帕时将流量为200cm3/ min(sccm)的氩气通入系统中。接着，对系统进行加热，当炉温达到1400°C时通入流量为 30sCCm的氨气，保持两个小时。最后，停止加热系统当温度下降至800°C时关掉氨气，在氩 气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后取出衬底，在衬底的表面收集到白色的物质。结 果显示产物形貌为纳米带，而且分布均勻。纳米带的长度为十几微米，宽度在500nm左右， 厚度在30-40nm。纳米带边缘有锯齿状结构，而且可以对折弯曲，显示其良好的韧性。其扫 描电镜照片如图7所示。
权利要求
一种无催化剂辅助下化学气相沉积法生长AlN单晶纳米带和纳米分支结构的方法，其特征在于通过以下工艺实现将0.2g纯度为99.99％的Al粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声清洗的多晶Al2O3基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处(衬底上没有沉积任何催化剂)，将陶瓷舟置于管式炉的炉膛正中央区域。密闭好容器后开始抽真空，当刚玉管系统真空度达到1×10-2帕时将流量为200cm3/min(sccm)的氩气通入系统中。接着，对系统进行加热，当炉温达到1400℃时通入流量为30sccm的氨气，保持一小时。最后，停止加热系统当温度下降至800℃时关掉氨气，在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。冷却后取出衬底，在衬底的表面收集到白色的物质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所用生长装置是管式炉。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，未使用催化剂。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空度为IX10_2Pa。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长温度为1400°C。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为多晶Al2O315
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，源为纯度99.99%的Al粉。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衬底直接扣置于源上方5mm处。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，温度下降至80(TC时停止通入氨气。
全文摘要
本发明公开了一种无催化剂辅助化学气相沉积法生长III-V族半导体化合物AlN单晶纳米带和纳米分支结构的方法，是通过以下工艺过程实现的将0.2g纯度为99.99％的Al粉放入陶瓷舟中，并将经过用酒精和去离子水超声清洗的多晶Al2O3基片作为衬底扣置于源的正上方5mm处，将陶瓷舟置于管式炉的正中央区域。密闭好容器后开始抽真空，当刚玉管系统真空度达到1×10-2帕时将流量为200cm3/min(sccm)的氩气通入系统中。接着，对系统进行加热，当炉温达到1400℃时通入流量为30sccm的氨气，保持一小时。最后，停止加热系统当温度下降至800℃时关掉氨气，在氩气的保护气氛下自然冷却到室温。本发明制备出的纳米带和纳米分支结构为单晶态的AlN。本发明所得的氮化铝纳米带和纳米分支结构具有形貌较均匀、沉积面积较大的特点；本发明不使用任何催化剂，方法简单，易于推广。
文档编号C30B29/40GK101851781SQ201010137608
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者吴 荣, 孙言飞, 李海兵, 李锦 , 简基康 申请人:新疆大学