溶胶—凝胶法制备低维GaN纳米材料

论文摘要

氮化镓作为第三代半导体材料的代表,是一种重要的直接宽带隙半导体材料,它具有优良的物理化学性质,是当前世界上最为先进的半导体材料之一。它不仅广泛的应用于蓝绿光发光二极管、激光器、紫外波段的探测器以及高温、大功率集成电路等器件,还可作为环保新材料应用于环境保护。由于GaN的种种优异特性,对GaN材料和器件的研究越来越成为人们关注的热点。根据不断降低器件尺寸的要求,借助于纳米尺寸的材料来制造纳米器件是很有意义的。纳米尺寸GaN特别是纳米线是满足这种要求的一种很有希望的材料。本论文主要分为实验与团簇计算两部分：第一部分：本文首先利用溶胶-凝胶和高温氨化二步法对GaN纳米晶的制备进行了研究,探讨了氨化温度和氨化时间对GaN纳米晶结构、组分、形貌的影响,并最终确定了GaN纳米晶的最佳制备条件。其次,我们利用溶胶-凝胶法得到的Ga2O3凝胶作为镓源,采用高温氨化法,成功制备出大量高质量的GaN纳米线。结果表明,氨化温度与氨化时间对GaN纳米线结构、组分、形貌产生了显著的影响,通过分析最终找出了利用该方法制备GaN纳米结构的最佳生长参数。文中详细分析了在最佳工艺条件下制备的一维GaN纳米结构的形貌、结构、组分和光致发光特性,初步探讨了一维GaN纳米结构的生长机制。第二部分：团簇的一些物理性质如能级结构、光学性质、磁学性质,以及热力学性质都呈现从原子特性向块体材料特性转变的趋势。因此,从理论上计算这些簇合物的结构和性质是十分必要的。我们利用B3LYP/6-31G*密度泛函方法对GanN3（n=1～8）团簇进行了计算,对GanN3（n=1～8）团簇的结构进行优化,得到了GanN3（n=1～8）团簇的最稳定结构,同时对体系的成键特性、热力学性质、光电子能谱及稳定性进行了研究。该结论对解释纳米和薄膜材料的形成具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料的研究概述
• 1.1.1 纳米材料的分类及制备方法
• 1.1.2 纳米材料基本特性
• 1.2 GaN材料的研究意义
• 1.2.1 GaN的基本性质
• 1.2.2 GaN粉体与体单晶的研究现状
• 1.2.3 GaN薄膜和低维GaN纳米材料的研究现状
• 1.2.4 GaN材料生长技术
• 1.2.5 GaN材料的掺杂
• 1.3 GaN基材料的应用前景
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 溶胶-凝胶法制备氮化镓纳米晶与纳米线
• 2.1 溶胶-凝胶法简介
• 2.1.1 溶胶-凝胶法的制备工艺
• 2.1.2 溶胶-凝胶法的基本原理
• 2.1.3 溶胶-凝胶法的优点
• 2.2 实验设备简介
• 2.2.1 实验仪器与实验药品
• 2.2.2 反应系统
• 2.3 样品的测试和表征技术
• 2.3.1 结构和成分的表征
• 2.3.2 表观形貌的表征
• 2.3.3 光学特性的测试
• 2.4 溶胶-凝胶法制备氮化镓纳米晶
• 2.4.1 实验过程
• 2.4.2 实验结果与讨论
• 2.4.3 GaN微晶生长机制的理论分析
• 2.5 溶胶-凝胶法制备氮化稼纳米线
• 2.5.1 实验过程
• 2.5.2 结果与讨论
• 2.5.3 最佳制备条件下的一维GaN纳米材料的表征分析
• 2.6 GaN纳米线的生长机制分析
• 2.6.1 一维GaN纳米材料的主要生长机理
• 2.6.2 GaN纳米线的生长机理分析
• 2.7 本章小结
• 3 团簇的密度泛函理论计算
• 3.1 团簇简介
• 3.1.1 团簇的研究意义
• 3.1.2 团簇的基本性质
• 3.2 团簇的理论计算方法
• 3.2.1 半经验算法
• 3.2.2 从头计算方法
• 3.2.3 密度泛函理论简介
• 3.3 本文的计算方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 几何结构
• 3.4.2 热力学性质与光电子能谱
• 3.4.3 基态结构的稳定性
• 3.5 本章小结
• 4 总结与展望
• 4.1 本论文的主要研究结果
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录