论文摘要
GaN是一种化学性质稳定，热导率高，饱和电子漂移速度大的宽禁带半导体材料，室温下其禁带宽度为3.4eV。在蓝光、紫外光光电子器件和高温、高频、大功率半导体器件领域有着广泛的应用前景，因此被认为是第三代半导体材料的代表。根据不断降低器件尺寸的要求，基于具有优异性质的纳米尺寸材料制造纳米器件是很有意义的。纳米级低维GaN是满足这种要求的一种很有希望的材料，因此对其性质研究就尤为重要了。在低维半导体材料体系中，电子结构和声子结构起着重要的作用，对材料的光学和电学特性产生了重要的影响。低维材料体系的电子结构已被广泛、深入地研究。随着材料体系尺寸减小到声子波长的尺度，声子限制效应开始出现。与声子限制效应相关的拉曼红移已有定量的物理模型解释，而与声子限制效应相关联的红外吸收蓝移还没有准确、定量的物理模型说明这一现象。已有的研究更多地将GaN纳米颗粒红外吸收蓝移定性地归于缺陷所引起。我们的研究工作是通过实验制备出Ga2O3包GaN和Ga2O3-GaN-Ga2O3的纳米材料体系，基于该材料体系的拉曼光谱红移，对GaN纳米材料体系声子限制效应的红外吸收蓝移进行了较深入的定量的研究。本文中，首先研究了由Ga2O3粉末氨化得到GaN粉末的制备条件；在此基础上，通过高温氧化GaN粉末，控制不同的氧化时间，制备得到了具有不同尺寸Ga2O3包GaN的GaN纳米颗粒；又由Ga2O3粉末氨化后再氧化制备得到了Ga2O3-GaN-Ga2O3的GaN纳米壳层结构；最后，以不同尺寸GaN纳米颗粒的拉曼和红外光谱作为依据，分析研究了表面张力在GaN纳米颗粒红外蓝移中的作用。1、Ga2O3粉末氨化制备GaN粉末条件的确定。Ga2O3粉末在900℃高温氨化（流量为100sccm）制备GaN粉末过程中，当反应时间超过60分钟后，XRD结果表明样品中GaN衍射峰不再变化。但XPS结果显示，当反应时间在90分钟左右时样品表面Ga和N的化学配比接近1：1。由此，Ga2O3氨化制备得到GaN粉末的制备条件是：900℃氨化（氨气流量为100sccm）90分钟。2、制备Ga2O3包GaN的不同尺寸GaN纳米颗粒。由GaN粉末的热重反应分析确定其氧化退火温度为800℃，氧化退火时间分别为10分钟，15分钟，20分钟，27分钟，30分钟，45分钟，60分钟，75分钟和3小时。样品XRD测试结果表明：随氧化退火时间的增加，GaN粉末颗粒的表面逐步被氧化，形成Ga2O3包GaN的纳米颗粒结构。拉曼光谱的测试结果表明：氧化15分钟，25分钟和45分钟的样品相对未氧化的GaN粉末光谱峰出现红移，其红移量分别为1cm-1，2cm-1和4cm-1，说明随氧化时间增加，GaN纳米颗粒尺寸减小。而氧化15分钟和25分钟样品的红外吸收谱相对未氧化GaN粉末的红外吸收谱峰出现蓝移，蓝移量分别为9.87cm-1和13.73cm-1。3、Ga2O3-GaN-Ga2O3壳层GaN纳米结构制备。首先，将GaN粉末900℃氨化25分钟，接着又在800℃条件下，分别氧化退火5分钟，8分钟，10分钟，12分钟和15分钟，XRD和红外吸收谱的测试结果表明，已制备得到Ga2O3-GaN-Ga2O3壳层GaN纳米结构。4、依据拉曼光谱红移的理论，估算出氧化退火15分钟，25分钟和45分钟Ga2O3包GaN样品GaN颗粒尺寸，分别为8.9nm，6.3nm和4.5nm。将氧化退火15分钟和25分钟样品红外吸收谱的蓝移量与GaN颗粒尺寸相结合，分析表明表面张力在GaN纳米颗粒红外吸收谱蓝移中起较大的作用。