一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用技术

技术编号:20038610 阅读:14 留言:0更新日期:2019-01-09 01:45
本发明专利技术公开了一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用,包括生长在Si衬底上的AlN缓冲层,生长在AlN缓冲层上的(In)GaN纳米管。本发明专利技术采用的Si衬底易获得、面积大、成本低、有利于降低器件成本;本发明专利技术在Si衬底上生长(In)GaN纳米管的方法,具有生长工艺简单,制备成本低的优点,而且本发明专利技术制备的(In)GaN纳米管晶体质量好,禁带宽度可调,比表面积大,可实现可见光光谱响应,适用于光电解水产氢。

A (In) GaN nanotube grown on Si substrate and its preparation method and Application

The invention discloses an in GaN nanotube grown on a Si substrate and its preparation method and application, including an AlN buffer layer grown on a Si substrate and an in GaN nanotube grown on an AlN buffer layer. The silicon substrate used in the invention is easy to obtain, has large area, low cost, and is conducive to reducing device cost; The method of growing (In) GaN nanotubes on Si substrate has the advantages of simple growth process and low preparation cost, and the (In) GaN nanotubes prepared by the invention have good crystal quality, adjustable band gap, large specific surface area, and can realize visible spectral response, and are suitable for photoelectricity. Hydrogen production from hydrolysis of water.

【技术实现步骤摘要】
一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用
本专利技术涉及(In)GaN纳米管领域,特别涉及一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及其制备方法与应用。
技术介绍
氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点,在国防科技、航天航空、工业生产中已经大量运用。作为一种理想的能源载体,氢可以通过燃烧产生动力(如氢燃气轮机、氢汽车发动机等),也可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及电驱动车。光电化学(Photoelectrochemical,PEC)解水产氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能,具有重要的研究意义。在过去的几十年中,研究人员主要致力于探索能够实现高效PEC解水的合适半导体。其中,(In)GaN材料由于带隙在0.67~3.4eV范围可调,可实现可见光光谱范围内光电解水产氢,引起了研究人员的广泛关注。此外,当(In)GaN材料缩小到纳米尺度时,表现出了一些独特的性能:(1)纳米结构的(In)GaN具有较大的比表面积,其较大的比表面积使应变被有效弛豫,能显著降低缺陷密度,进而降低载流子非辐射复合的概率;(2)纳米结构减小了光生载流子从材料体内迁移到半导体/电解液界面的迁移距离,降低了光生载流子的复合概率,更有利于光生电子、空穴分别参加析氢、析氧反应;(3)纳米结构较大的比表面积能够增强光吸收,提高对太阳光的利用,并且增大了半导体/电解液的界面反应面积。综上所述,纳米结构的(In)GaN在光电解水产氢领域具有独特的优势,是理想的光电解水材料。目前,被广泛研究的(In)GaN纳米结构主要有纳米柱/线、纳米金字塔等。和这些结构相比,(In)GaN纳米管具有更大的比表面积,更有利于光电解水产氢。因此,在低成本的、具有良好导电性能的Si衬底上生长(In)GaN纳米管应用于光电解水产氢研究意义重大。
技术实现思路
为了利用纳米管独特的优势,克服现有技术的不足,本专利技术的目的在于提供一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管及制备方法。理论研究发现,(In)GaN的尺寸减小到纳米范围形成的纳米管结构是应变弛豫的,几乎没有缺陷,晶体质量高。本专利技术的另一目的在于提供上述生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管的光电解水产氢应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,包括Si衬底1,生长在Si衬底1上的AlN缓冲层2,生长在AlN缓冲层2上的(In)GaN纳米管3。优选的,所述Si衬底为单晶硅薄片,具有易获得、成本低、面积大、导电性能好、散热好、方便制成垂直器件等优点。Si(111)衬底与六方GaN有相同的对称性,因此选Si(111)作为衬底。优选的,所述AlN缓冲层的厚度为5~50nm。优选的,所述(In)GaN纳米管包括GaN、InGaN纳米管。优选的,所述(In)GaN纳米管的高度为60~1000nm,内径为15~100nm,管壁厚为5~50nm。以上所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管的制备方法,包括以下步骤:(1)衬底选取:采用Si衬底;(2)衬底表面清洗、除气处理:首先用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物;然后超声刻蚀,最后用高纯干燥氮气吹干;对Si衬底进行表面清洗后,将Si衬底温度升至生长温度,保证升温期间样品表面的水气可以被除去;(3)衬底退火处理:将步骤(2)所得Si衬底放入反应室内,在900~1000℃下对Si衬底进行退火处理,以获得重构的衬底表面;(4)AlN缓冲层的制备:将步骤(3)所得Si衬底的温度控制在450~550℃,转速为5~10r/min,沉积厚度为5~50nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离子体源对金属铝薄膜进行氮化,等离子体源的功率为300~450W,氮气流量为1~5sccm,氮化时间为10~50分钟,在Si衬底上获得AlN缓冲层,有利于进行后续(In)GaN纳米管的生长;(5)(In)GaN纳米管的制备:采用分子束外延生长工艺,利用InN纳米柱作为牺牲模板材料,生长InN/(In)GaN同轴核壳结构纳米柱,之后通过高温处理除去InN纳米柱模板材料。优选的,步骤(2)中,所述用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物是依次在四氯化碳、甲苯、丙酮、无水乙醇中旋洗,之后用水漂洗干净;所述超声刻蚀是在HF溶液中超声刻蚀除去表面氧化层,再用水漂洗干净。优选的,步骤(3)所述退火处理的时间为0.5~1小时。优选的,步骤(5)所述(In)GaN纳米管的制备包括以下步骤:InN纳米柱牺牲模板的生长:设置Si衬底的温度为450~650℃,转速为5~10r/min,In束流流量为3×10-8~5×10-7Torr,氮气流量为1~5sccm,等离子体源功率为200-450W,在步骤(4)得到的AlN缓冲层上生长InN纳米柱;InN/(In)GaN同轴核壳纳米柱的生长:设置Si衬底温度为600~800℃,转速为5~10r/min,In束流流量为3×10-8~5×10-7Torr,Ga束流流量为1.5×10-8~1.5×10-7Torr,氮气流量为1~5sccm,等离子体源功率为200-450W,在自组装生长的InN纳米柱上沉积(In)GaN薄层,得到InN/(In)GaN同轴核壳纳米柱;(In)GaN纳米管的制备:设置Si衬底温度为700~900℃,在氮气流量为1~5sccm,氮等离子体源功率为200~500W,根据InN和(In)GaN之间的温度稳定性的差异,在氮等离子体氛围下通过对InN/(In)GaN同轴核壳纳米柱进行高温处理(700~900℃),除去InN纳米柱模板,得到(In)GaN纳米管。以上所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管应用于光电解水产氢中。与现有技术相比,本专利技术具有以下优点和有益效果:(1)本专利技术使用单晶Si片作为衬底,具有易获得、成本低、尺寸大、散热好、方便制成垂直器件等优点。(2)本专利技术使用Si作为衬底,先沉积一层金属Al薄膜,然后进行氮化处理,形成AlN缓冲层,有利于后续纳米柱的形核和生长。并且,当AlN缓冲层厚度达到5~50nm,纳米柱处于弛豫状态。另外,纳米柱由于较大的比表面积,使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫,有利于在Si衬底上生长高质量的同轴InN/(In)GaN核壳纳米柱,高温处理后,得到高质量的(In)GaN纳米管。(3)制备得到的高晶体质量(In)GaN纳米管,有效降低了载流子非辐射复合的概率,可大幅度提高(In)GaN纳米柱在光电解水产氢应用上的光电转换效率。(4)(In)GaN带隙可调,可实现在可见光光谱范围内光电解水产氢,提高对太阳光的利用率。(5)生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管在应用于光电解水产氢时,(In)GaN纳米管结构大幅减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离,降低了光生载流子的复合概率,更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应。(6)相对于其它纳米结构,例如纳米柱、纳米线、纳米锥、纳米墙等,(In)GaN纳米管具有更高的比表面积,能够增强光吸收,提高对太阳光的利用,并且增大了半导体/电解液的界面反应面积,有利于提高太阳能转换成氢能的能源转换效率。附图说明图1为实施例1在Si衬底上生长(In)GaN纳米管的过程示意图。图2为实施例1本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,包括Si衬底(1),生长在Si衬底(1)上的AlN缓冲层(2),生长在AlN缓冲层(2)上的(In)GaN纳米管(3)。

【技术特征摘要】
1.一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,包括Si衬底(1),生长在Si衬底(1)上的AlN缓冲层(2),生长在AlN缓冲层(2)上的(In)GaN纳米管(3)。2.根据权利要求1所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,所述Si衬底为单晶硅薄片。3.根据权利要求1所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,所述AlN缓冲层的厚度为5~50nm。4.根据权利要求1所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,所述(In)GaN纳米管包括GaN、InGaN纳米管。5.根据权利要求4所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管,其特征在于,所述(In)GaN纳米管的高度为60~1000nm,内径为15~100nm,管壁厚为5~50nm。6.制备权利要求1-5任一项所述的一种生长在Si衬底上的(In)GaN纳米管的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)衬底选取:采用Si衬底;(2)衬底表面清洗、除气处理:首先用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物;然后超声刻蚀,最后用高纯干燥氮气吹干;对Si衬底进行表面清洗后,将Si衬底温度升至生长温度,保证升温期间样品表面的水气可以被除去;(3)衬底退火处理:将步骤(2)所得Si衬底放入反应室内,在900~1000ºC下对Si衬底进行退火处理,以获得重构的衬底表面;(4)AlN缓冲层的制备:将步骤(3)所得Si衬底的温度控制在450~550ºC,转速为5~10r/min,沉积厚度为5~50nm的金属铝薄膜,然后采用氮等离子体源对金属铝薄膜进行氮化,等离子体源的功率为300~450W,氮气流量为1~5sccm,氮化时间为10~50分钟,在Si衬底上获得AlN缓冲层;(5)(In)GaN纳米管的制备:采用分子束外延生长工艺,利用InN纳米柱...

【专利技术属性】
技术研发人员:李国强徐珍珠张曙光高芳亮温雷余粤锋
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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