一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用，其中，贵金属Au纳米粒子的SPR效应可以进一步增强半导体InGaN纳米柱对太阳光的吸收；此外，Au纳米粒子与半导体InGaN纳米柱界面处产生的肖特基势垒有利于促进光生电子空穴对的分离，从而提高器件的PEC光电转换效率。本发明专利技术制备Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的方法，具有生长工艺简单、可重复性强的优点。最后，本发明专利技术公开的Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合材料，禁带宽度在0.67~3.4 eV范围可调，具有较大的比表面积，对太阳光有较强的吸收，适用于光电解水产氢。

【技术实现步骤摘要】
一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用
本专利技术涉及InGaN纳米柱，特别涉及一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构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。在过去的四十年中，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，InGaN材料由于带隙可调，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InGaN材料缩小到纳米尺寸的纳米柱时，表现出了一些独特的性能：(1)InGaN纳米柱具有超高的表面积/体积比，其超高的比表面积使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，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)纳米柱结构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；(3)纳米柱超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。综上所述，InGaN纳米柱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。当前，基于InGaN纳米柱光催化材料的PEC解水产氢技术获得了较快的发展。然而，如何实现对太阳光更高效地利用及光生电子空穴对的有效分离、传输仍是提高InGaN纳米柱PEC解水产氢效率的两大关键问题。众所周知，表面等离共振(SPR)是贵金属纳米粒子的固有属性，而当采用贵金属纳米粒子修饰半导体时，谐振光子激发金属纳米粒子中的自由电子产生振荡，即所谓的SPR，增强了半导体表面的电场强度，进而增强了对半导体表面光子的俘获。其次，贵金属纳米粒子修饰半导体在异质界面处产生的肖特基势垒可以促进光生电子空穴对的有效分离。因此，采用贵金属Au纳米粒子修饰InGaN纳米柱表面，构建InGaN纳米柱@Au纳米粒子异维复合结构，应用于光电解水产氢具有重要的科学与应用意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构。采用Au纳米粒子修饰InGaN纳米柱，贵金属Au纳米粒子的SPR效应可以进一步增强半导体InGaN纳米柱对太阳光的吸收；此外，Au纳米粒子与半导体InGaN纳米柱界面处产生的肖特基势垒有利于促进光生电子空穴对的分离，从而提高器件的PEC光电转换效率。本专利技术的另一目的在于提供一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供上述一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构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Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，包括Si衬底1，生长在Si衬底1上的AlN缓冲层2，生长在AlN缓冲层上的InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构3。优选的，所述AlN缓冲层的厚度为5-50nm。优选的，所述的InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构中InGaN纳米柱的高度为60～1000nm,直径为15～200nm。优选的，所述InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构是一维的InGaN纳米柱表面负载零维Au纳米粒子的异维复合结构，其中Au纳米粒子粒径为5～100nm。贵金属Au纳米粒子的SPR效应可以进一步增强半导体InGaN纳米柱对太阳光的吸收；此外，Au纳米粒子与半导体InGaN纳米柱界面处产生的肖特基势垒有利于促进光生电子空穴对的分离，从而提高器件的光电转换效率。以上所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底与晶面的选取：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；(2)衬底清洗与除气处理：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900～980℃下对Si衬底进行退火处理，以获得重构的表面；(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，在Si衬底上获得AlN缓冲层，有利于进行后续InGaN纳米柱的生长；(5)InGaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制Si衬底温度为450～900℃，转速为5-10r/min，Ga流量为1.5×10-8～1.5×10-7Torr，In流量为3×10-8～5×10-7Torr，氮气流量为1～5sccm，射频(RF)活化功率为200-450W，在步骤(4)得到的AlN缓冲层上生长InGaN纳米柱；所述AlN缓冲层的厚度为5～50nm，当AlN缓冲层的厚度达到5～50nm时生长InGaN纳米柱的应力得到释放。另外，InGaN纳米柱由于其较大的比表面积，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InGaN纳米柱。(6)InGaN纳米柱@Au纳米粒子的制备：采用电子束蒸发工艺，在步骤(5)所得InGaN纳米柱表面负载Au纳米粒子，具体如下：在腔室中，设置Si衬底转速为30-60r/min，Au沉积速率为在InGaN纳米柱表面沉积的Au，得到InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合材料。优选的，步骤(1)所述Si衬底单面抛光，厚度在400±20μm，电阻率小于1Ω·cm。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(4)所述氮化的时间为10～50分钟。优选的，步骤(6)所述电子束蒸发过程中，腔室背景压力8×10-4Pa。以上所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构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、尺寸大等优点；另外，掺杂后的Si衬底电阻率较小，导电性能较好，可以直接在Si衬底背面制备欧姆接触电极，方便制成垂直器件。(2)本专利技术使用Si作为衬底，先沉积一层金属铝薄膜，然后进行氮化处理，形成AlN缓冲层，有利于后续InGaN纳米柱的形核和生长。并且，当AlN缓冲层厚度达到5～50nm，InGaN纳米柱处于弛豫状态。另外，InGaN纳米柱由于其较大的比表面积，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InGaN纳米柱。(3)本专利技术制备得到的(In)GaN纳米柱，晶体质量高，位错密度低。一方面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，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InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构（3）。

【技术特征摘要】
1.一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，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InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构（3）。2.根据权利要求1所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为5-50nm。3.根据权利要求1所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，其特征在于，所述的InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构中InGaN纳米柱的高度为60~1000nm,直径为15~200nm。4.根据权利要求1所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，其特征在于，所述InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构是一维的InGaN纳米柱表面负载零维Au纳米粒子的异维复合结构，其中Au纳米粒子粒径为5~100nm。5.制备权利要求1-4任一项所述的一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）衬底与晶面的选取：采用Si衬底，选取Si(111)晶面；（2）衬底清洗与除气处理：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900~980ºC下对Si衬底进行退火处理，以获得重构的表面；（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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，徐珍珠，高芳亮，张曙光，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