專利名稱：一種GaN納米晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種GaN納米晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
GaN晶體具有寬帶隙、強(qiáng)原子鍵、高熱導(dǎo)等性質(zhì)，而且GaN及GaN基材料的帶隙涵蓋了從紅光到紫外的光譜范圍，可以廣泛應(yīng)用于高亮度藍(lán)-綠發(fā)光二極管，藍(lán)光激光器以及紫外探測器等領(lǐng)域。另外GaN還具有熱輻射能力、抗腐蝕能力強(qiáng)、高擊穿電壓和高電子飽和度等優(yōu)良性能，因此在制備高溫、大功率、高速及惡劣工作環(huán)境下的半導(dǎo)體電子器件方面GaN有巨大潛力和優(yōu)越性。為III-V族氮化物半導(dǎo)體中最引人注目的材料。然而，研究開發(fā)GaN晶體及GaN基器件的前提條件是以高質(zhì)量和單相的GaN粉末源作為前體材料，所以直接合成GaN粉末是推動第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展的一個重要研究課題。
到目前為止，有關(guān)GaN的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)、反應(yīng)濺射法、溶膠凝膠法和水熱合成等?；瘜W(xué)氣相沉積法雖然已在生產(chǎn)中應(yīng)用，但有生長工藝復(fù)雜和生長溫度高等缺點(diǎn)，使生產(chǎn)成本提高、增加了能耗，且工藝過程中存在氣相外延與氣流有關(guān)的材料不均勻性的問題，直接影響GaN的質(zhì)量；分子束外延制備GaN也具有工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，而最大缺點(diǎn)就是生長速率慢，也不利于商業(yè)化生產(chǎn)；HVPE和反應(yīng)濺射法都需要昂貴的生產(chǎn)設(shè)備，對操作人員要求高，工藝流程復(fù)雜，影響因素多；溶膠凝膠法必須用活性較高的鎵或鎵的化合物做為原料，提高了生產(chǎn)成本；而水熱合成GaN利用價格廉價的鎵的化合物Ga203作為原料，具有工藝簡單，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品形貌均勻、粒度分布窄等特點(diǎn)，具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。 對于傳統(tǒng)水熱法制備GaN的研究報道，國外Sungryong Cho等人率先用水熱合成法制得Ga02H后在80(TC氨化制得了 GaN，但在IOO(TC的高溫下制備的GaN中仍含有Ga203雜質(zhì)。國內(nèi)亦一些有關(guān)于傳統(tǒng)水熱法制備GaN的報道，但是，其產(chǎn)物粒度分布寬(從幾十個微米到幾百個微米分布不等)，且反應(yīng)過程緩慢。 而微波水熱合成法是在1992年美國賓州大學(xué)R. Roy提出利用微波對水的介電作用進(jìn)行加熱的新型合成方法，與傳統(tǒng)的水熱法相比，微波水熱合成法具有加熱速度快、反應(yīng)靈敏、體系受熱均勻等特點(diǎn)，可以快速制備形貌均一的超細(xì)粉體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用微波水熱和低溫氨化兩步法制備GaN納米晶體的方法，本發(fā)明制備的GaN納米晶體粒度分布窄、結(jié)晶性能良好。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是l)選用純度為99.99%，粒度為200目的63203、純度為99. 99%的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 002 0. 007mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率400W，微波溫度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至5. 5 9，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水
3熱儀，在微波功率500-700W，微波溫度120 20(TC下反應(yīng)0. 5 2h，過濾，洗滌，干燥后得到Ga02H納米棒；2)取Ga02H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-0. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵眨诉^程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以3 5°C /min的升溫速率升溫至800 90(TC后保溫1 1. 5小時，再以3 5°C /min的降溫速率降溫至600 50(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至150 20(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。 本發(fā)明采用微波水熱和低溫氨化兩步法制備結(jié)晶程度良好、高純度氮化鎵納米晶體。其優(yōu)點(diǎn)是原料相對廉價，工藝操作簡單，采用無污染潔凈低耗能的微波水熱法快速制備結(jié)晶良好的Ga02H前驅(qū)體納米棒，低溫氨化Ga02H制備GaN納米晶。相對于傳統(tǒng)水熱法，微波水熱法具有環(huán)保節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是pH = 6 7時Ga02H的XRD圖，其中橫坐標(biāo)為衍射角2 e ，縱坐標(biāo)為前驅(qū)體晶相衍射峰的相對強(qiáng)度。 圖2是GaN的XRD圖，其中橫坐標(biāo)為衍射角2 e ，縱坐標(biāo)為GaN晶相衍射峰的相對強(qiáng)度。 圖3(a)為pH > 7時，5000倍下的Ga02H電鏡形貌，(b)為pH > 7時，10000倍下的Ga02H電鏡形貌；圖4(a)為5000倍下按本發(fā)明制備得到的GaN的電鏡掃描圖片，(b)為10000倍下按本發(fā)明制備得到的GaN的電鏡掃描圖片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l :1)選用純度為99.99%，粒度為200目的GaA、純度為99.99^的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 002mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率400W，微波溫度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至6 7，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水熱儀，在微波功率500W，微波溫度18(TC下反應(yīng)lh，過濾，洗滌，干燥后得到Ga(^H納米棒；參見圖1，從圖中可以看出以Ga(^H為主晶相，含有少量的GaOOH晶相；制備的Ga02H純度高，結(jié)晶性能良好；2)取Ga02H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-0. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵?，此過程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以4°C /min的升溫速率升溫至80(TC后保溫1 1. 5小時，再以4°C /min的降溫速率降溫至50(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至15(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。參見圖2，從圖分析得出GaN的結(jié)晶性良好，為高純GaN晶相，在(002)晶面取向一致；參見圖4，經(jīng)分析GaN納米晶體是由結(jié)晶取向一致、直徑約為60nm的GaN納米顆粒組成的。 實(shí)施例2:1)選用純度為99. 99%，粒度為200目的6&203、純度為99. 99%的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 005mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率4Q0W，微波溫
4度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至7，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水熱儀，在微波功率600W，微波溫度15(TC下反應(yīng)1. 5h，過濾，洗滌，干燥后得到Ga02H納米棒；2)取Ga02H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-O. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵眨诉^程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以5°C /min的升溫速率升溫至82(TC后保溫1 1. 5小時，再以5°C /min的降溫速率降溫至55(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至20(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。
實(shí)施例3 :1)選用純度為99.99%，粒度為200目的GaA、純度為99.99^的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 003mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率400W，微波溫度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至5. 5，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水熱儀，在微波功率700W，微波溫度20(TC下反應(yīng)0. 5h，過濾，洗滌，干燥后得到Ga02H納米棒；2)取Ga02H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-O. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵眨诉^程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以3°C /min的升溫速率升溫至85(TC后保溫1 1. 5小時，再以3°C /min的降溫速率降溫至60(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至18(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。
實(shí)施例4:1)選用純度為99.99%，粒度為200目的6&203、純度為99. 99%的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 004mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率400W，微波溫度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至9，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水熱儀，在微波功率500W，微波溫度14(TC下反應(yīng)1. 5h，過濾，洗滌，干燥后得到Ga(^H納米棒；參見圖3，從中可以看出用微波水熱合成了粒度分布窄、顆粒大小均勻的Ga(^H納米棒；2)取Ga(^H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-O. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵眨诉^程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以5°C /min的升溫速率升溫至87(TC后保溫1 1. 5小時，再以5°C /min的降溫速率降溫至55(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至16(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。
實(shí)施例5:1)選用純度為99. 99%，粒度為200目的6&203、純度為99. 99%的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0. 007mol的Ga203加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀，微波功率400W，微波溫度15(TC下反應(yīng)20 40min后Ga203完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至8，再用磁力攪拌器攪拌1 2h后，移入微波水熱儀，在微波功率700W，微波溫度12(TC下反應(yīng)2h，過濾，洗滌，干燥后得到Ga02H納米棒；2)取Ga02H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-O. 05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵眨诉^程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以4°C /min的升溫速率升溫至90(TC后保溫1 1. 5小時，再以4°C /min的降溫速率降溫至60(TC后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至19(TC后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。
權(quán)利要求
一種GaN納米晶體的制備方法，其特征在于1)選用純度為99.99％，粒度為200目的Ga2O3、純度為99.99％的濃氨水和濃硝酸為原料；首先將0.002～0.007mol的Ga2O3加入到30ml的濃硝酸中，然后再加入90ml蒸餾水稀釋，攪拌均勻后移入反應(yīng)釜中，并將反應(yīng)釜置于微波水熱儀中，在微波功率400W，微波溫度150℃下反應(yīng)20～40min后Ga2O3完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值至5.5～9，再用磁力攪拌器攪拌1～2h后，移入微波水熱儀中，在微波功率500-700W，微波溫度120～200℃下反應(yīng)0.5～2h，過濾，洗滌，干燥后得到GaO2H納米棒；2)取GaO2H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；3)將剛玉坩堝放入管式爐中，抽真空后使真空度不超過-0.05MPa，通氮?dú)庵脸汉笤俪檎婵?，此過程重復(fù)三次，通入氨氣，同時將爐溫從室溫以3～5℃/min的升溫速率升溫至800～900℃后保溫1～1.5小時，再以3～5℃/min的降溫速率降溫至600～500℃后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至150～200℃后關(guān)氮?dú)夂碗娫醋匀焕鋮s至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。
全文摘要
一種GaN納米晶體的制備方法，首先將Ga2O3加入到濃硝酸中，然后再加入蒸餾水稀釋，在微波水熱儀中反應(yīng)使Ga2O3完全溶解，然后用濃氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值后移入微波水熱儀反應(yīng)后過濾，洗滌，干燥后得到GaO2H納米棒；取GaO2H納米棒粉體預(yù)先放入剛玉坩堝，使粉料在坩堝里均勻分散；將剛玉坩堝放入管式爐中，在氨氣保護(hù)下升溫至800～900℃后保溫1～1.5小時，降溫速率降溫至700～500℃后，換成氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，冷卻至室溫后得到淡黃色GaN納米晶體。本發(fā)明采用微波水熱和低溫氨化兩步法制備結(jié)晶程度良好、高純度氮化鎵納米晶體。其優(yōu)點(diǎn)是原料相對廉價，工藝操作簡單，采用無污染潔凈低耗能的微波水熱法快速制備結(jié)晶良好的GaO2H前驅(qū)體納米棒，低溫氨化GaO2H制備GaN納米晶。
文檔編號C01B21/06GK101774552SQ201010117289
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者劉大為, 朱建峰, 李強(qiáng), 李棟, 王小鳳, 王芬 申請人:陜西科技大學(xué)