一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料及其制备方法，其中，GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料的结构包括：衬底、GaN层、BiVO4层以及WO3层；其中，GaN层形成于衬底上，BiVO4层形成于GaN层上，WO3层形成于BiVO4层上，并在GaN层、BiVO4层以及WO3层之间形成异质结；异质结用于形成内部空间电荷区以在GaN层、BiVO4层以及WO3层产生光生电子空穴对时对光生电子空穴对产生分离作用。通过本发明专利技术方法制备的GaN/BiVO4/WO3复合材料，能够通过窄带隙BiVO4和WO3的结合来拓宽宽带隙半导体GaN的波长吸收范围，并在WO3、BiVO4与GaN之间形成有利于提升光解水效率的双异质结结构，通过两层异质结电场的分离作用能够有效的避免电子与空穴重新结合，并且能够加速电子与空穴的定向流动，从而大大提升光催化效率及光吸收能力。大大提升光催化效率及光吸收能力。大大提升光催化效率及光吸收能力。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体复合材料领域，尤其涉及一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，光解水制氢领域得到科研人员的广泛关注和研究，并取得了一定进展。根据能带理论，半导体可以分为被电子占满的价带和没有电子占据的导带。当能量高于带隙的光子入射到半导体表面，价带上的电子将会受到激发跃迁到至导带，在价带上形成空穴，导带上产生电子，进而产生光生电子
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空穴对。当导带上的电子能量具有大于溶液中H+/H2的还原电位时，氢离子将会得到电子产生氢气。同理，当价带上空穴氧化性大于溶液中OH
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/O2的氧化电位时，OH
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将会失去电子生成氧气。当满足以上条件时，光照下半导体内部产生的光生电子
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空穴对将会有一部分迁移到半导体表面，并且与溶液发生光解水反应；然而，在电子
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空穴对的迁移过程中，一部分电子将会与半导体内部的空穴相遇并发生复合，形成能量消耗，从而降低了光解水制氢的光催化率。因此，作为制氢的半导体材料需要具备较好的光吸收性、较高的稳定性以及较高的光催化率。
[0003]GaN基半导体材料由于具有较为优良的光学和电学性能，在微电子与光电子器件领域中都取得了巨大的进展，被誉为第三代半导体材料。GaN基半导体材料主要具有以下优异的性质：(1)GaN基半导体材料主要通过MOCVD(金属有机化合物气相沉积)方法进行生长，其薄膜为单晶结构，生长纯度较高，外延层面积较大且均匀性良好，可以进行异质结构外延，并且适用于大规模生产；(2)GaN具有较高的电子饱和迁移速度，可以高达2.5
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107cm/s，有利于光生载流子在半导体内部向界面的迁移(3)GaN基半导体材料属于强离子型晶体，以密排六角堆积结构存在。每个Ga原子的三个正电子与N原子的五个电子紧密结合，具有非常稳定的热力学稳态结构。GaN具有很强的化学稳定性，在常温不加电压的情况下不会与强酸和强碱发生反应；(4)GaN基化合物属于直接带隙半导体材料，有利于提高光照情况下半导体的光电转化效率。然而，氮化镓带隙较宽，为3.4eV，只能接收太阳光中占比很小的紫外光部分(即光吸收能力较低)，并且其也存在电子
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空穴对迁移过程中，一部分电子将会与半导体内部的空穴相遇并发生复合，形成能量消耗问题(即光催化率较低)。
[0004]因此，如何提升半导体材料的光吸收能力和光催化率是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]为了提升半导体半导体材料的光吸收能力和光催化率，在本专利技术的第一方面，提出了一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料，包括：衬底、GaN层、BiVO4层以及WO3层；其中，所述GaN层形成于所述衬底上，所述BiVO4层形成于所述GaN层上，所述WO3层形成于所述BiVO4层上，并在所述GaN层、所述BiVO4层以及所述WO3层之间形成异质结；所述异质结用于形成内部空间电荷区以在所述GaN层、所述BiVO4层以及所述WO3层产生光生电子空穴对时对所述光生
电子空穴对产生分离作用。
[0006]在一个或多个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底，厚度约为380微米，所述GaN层包括沉积于所述衬底上的厚度约为30nm的GaN形核层，以及在所述GaN形核层表面生长的厚度约为1μm的非掺GaN层，以及在所述非掺GaN层表面生长的厚度约为2μm的n
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GaN层，其中，所述n
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GaN层掺杂的Si浓度约为3
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10
18
cm
‑3。
[0007]在一个或多个实施例中，所述BiVO4层的厚度约为1.5μm，所述WO3层的厚度约为660nm，所述BiVO4层和所述WO3层中的晶体结构均呈片状结构，其中，由BiVO4晶体形成的片状结构的长约为600nm，宽约为400nm，厚度约为20nm，由WO3晶体形成的片状结构的长约为400nm，宽约为200nm，厚度约为50nm。
[0008]在本专利技术的第二方面，提出了一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料的制备方法，所述方法包括：以蓝宝石层为衬底在其表面沉积一层约为30nm厚的GaN形核层，随后在形核层的表面外延生长厚度约为1μm非掺GaN层，并在所述非掺GaN层表面外延生长约2μm的n
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GaN层，获得GaN外延片；以所述GaN外延片为衬底，通过溶胶凝胶法将BiVO4溶胶旋涂在所述GaN外延片表面形成BiVO4层，并使得所述BiVO4层与所述GaN层的表面紧密接触；通过溶胶凝胶法将WO3溶胶旋涂在BiVO4层表面形成WO3层，并使得所述BiVO4层与所述WO3层的表面紧密接触，形成GaN/BiVO4/WO3复合结构。
[0009]在一个或多个实施例中，所述方法还包括通过以下步骤制备BiVO4溶胶：将0.173g的NH4VO4加入到混有5ml乙酸和30ml的乙酰丙酮溶剂中形成混合溶液，进行搅拌直至其成为橘黄色澄清液体作为第一溶液；将与NH4VO4摩尔比为1:1的Bi(NO3)3固体粉末加入到20ml的乙醇溶液中，并进行搅拌直至形成无色透明溶液作为第二溶液；将所述第一溶液和所述第二溶液进行混合，然后在其混合液中添加2g的聚乙烯吡咯烷酮，并搅拌均匀形成BiVO4前驱体溶液；将所述BiVO4前驱体溶液放入油浴锅中，80℃下老化5h形成BiVO4溶胶。
[0010]在一个或多个实施例中，所述方法还包括通过以下步骤制备WO3溶胶：取15g偏钨酸铵加入到100g质量分数约为～7％的稀硝酸中，进行搅拌直至溶液颜色变为无色透明作为第三溶液；取3g聚乙烯吡咯烷酮加入到20ml乙醇溶液中，搅拌至澄清作为第四溶液；将所述第三溶液和所述第四溶液进行混合，并进行搅拌形成WO3前驱体溶液；将所述WO3前驱体溶液放入油浴锅中，30℃下老化8h形成WO3溶胶。
[0011]在一个或多个实施例中，本专利技术的方法还包括通过以下步骤在所述GaN外延片表面形成BiVO4层：将GaN外延片放在匀胶机的样品托上，用滴管将配置好的BiVO4前驱体铺满GaN外延片的表面；设置匀胶机的转速为1000r/min，匀胶时间为15s，并重复多次匀胶；将匀胶后的GaN外延片放入80℃的烘箱中烘干形成BiVO4层；将覆盖有BiVO4层的GaN外延片放入马弗炉中，设置升温速率为2℃/min，从常温20℃升温至550℃，然后恒温2h，最后自然冷却至室温。
[0012]在一个或多个实施例中，本专利技术的方法还包括通过以下步骤在BiVO4层表面形成WO3层：将制备得到的GaN/BiVO4样品，放置在匀胶机的样品托上，用滴管将配置好的WO3前驱体溶胶铺满样品的BiVO4层表面；设置匀胶机的转速为1000r/min，匀胶时间为15s，并重复多次匀胶；将匀胶后的GaN/BiVO4样品放入80℃的烘箱中烘干形成WO3层；将烘干后的GaN/BiVO4样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料，其特征在于，包括：衬底、GaN层、BiVO4层以及WO3层；其中，所述GaN层形成于所述衬底上，所述BiVO4层形成于所述GaN层上，所述WO3层形成于所述BiVO4层上，并在所述GaN层、所述BiVO4层以及所述WO3层之间形成异质结；所述异质结用于形成内部空间电荷区以在所述GaN层、所述BiVO4层以及所述WO3层产生光生电子空穴对时对所述光生电子空穴对产生分离作用。2.根据权利要求1所述的一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底，厚度约为380微米，所述GaN层包括沉积于所述衬底上的厚度约为30nm的GaN形核层，以及在所述GaN形核层表面生长的厚度约为1μm的非掺GaN层，以及在所述非掺GaN层表面生长的厚度约为2μm的n
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GaN层，其中，所述n
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GaN层掺杂的Si浓度约为3
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10
18
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‑3。3.根据权利要求1或2所述的一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料，其特征在于，所述BiVO4层的厚度约为1.5μm，所述WO3层的厚度约为660nm，所述BiVO4层和所述WO3层中的晶体结构均呈片状结构，其中，由BiVO4晶体形成的片状结构的长约为600nm，宽约为400nm，厚度约为20nm，由WO3晶体形成的片状结构的长约为400nm，宽约为200nm，厚度约为50nm。4.一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：以蓝宝石层为衬底在其表面沉积一层约为30nm厚的GaN形核层，随后在形核层的表面外延生长厚度约为1μm非掺GaN层，并在所述非掺GaN层表面外延生长约2μm的n
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GaN层，获得GaN外延片；以所述GaN外延片为衬底，通过溶胶凝胶法将BiVO4溶胶旋涂在所述GaN外延片表面形成BiVO4层，并使得所述BiVO4层与所述GaN层的表面紧密接触；通过溶胶凝胶法将WO3溶胶旋涂在BiVO4层表面形成WO3层，并使得所述BiVO4层与所述WO3层的表面紧密接触，形成GaN/BiVO4/WO3复合结构。5.根据权利要求4所述的一种GaN/BiVO4/WO3半导体复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括通过以下步骤制备BiVO4溶胶：将0.173g的NH4VO4加入到混有5ml乙酸和30ml的乙酰丙酮溶剂中形成混合溶液，进行搅拌直至其成为橘黄色澄清液体作为第一溶液；将与NH4VO4摩尔比为1:1的Bi(NO3)3固体粉末加入到20ml的乙醇溶液中，并进行搅拌直至形成无色透明溶液作为第二溶液；将所述第一溶液和...

【专利技术属性】
技术研发人员：席鑫，李拓，刘凯，邹晓峰，王长红，苏康，李国庆，李南君，郭建文，
申请(专利权)人：山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：