六方形态AlN纳米管阵列的制备与生长机制

AlN是性能优异的宽禁带半导体材料，在微纳电子器件、场发射显示、压电传感、深紫外光电器件等方面具有广泛的应用前景。但是，不管是传统的AlN薄膜还是AlN纳米线及纳米管均较难制备，通常需要比较苛刻的条件，国际上还未见清晰六方形态AlN纳米管成功制备的报道。课题组前期研究国际上首次在较低温度下合成了清晰、规则六方形态的AlN纳米管阵列。本项目旨在取得AlN新型六方形态纳米管制备的突破，解决AlN六方纳米管阵列大面积合成及其基底结合问题，预期在制备方法、生长机理及基本应用性能方面取得翔实研究资料和成果，为AlN纳米管阵列的物理性能研究和应用开发奠定先决条件。

基于自行设计的的热化学气相沉积设备，采用独特的源物质挥发控制方法，不使用任何模板或催化剂，不需要预制籽晶层，在低于850℃温度下获得了AlN六方纳米管阵列、六方纳米棒阵列、嵌套式六方纳米管阵列、六方纳米迷宫、纳米针阵列、纳米花瓣及嵌套花形等各种形貌AlN材料。AlN纳米管阵列结晶良好、形貌规则、在基底上大面积排列均匀，并且成功实现不同管径尺寸的可控生长，提出了合理的生长机理。生长过程可以解释为形核、晶核规则化排布和取向生长三个阶段：形核排布密度是决定形貌的最关键因素；而Al、N分压直接调控早期形核密度，并决定最终形貌。Al、N分压越小AlN管结构越趋于不规则或形貌复杂化。在此生长机理的指导下，成功制备了AlGaN纳米结构，Mn掺杂AlN六方复杂纳米迷宫阵列，Mg掺杂AlN纳米柱阵列以及Zn掺杂AlN六方纳米嵌套结构。实验结果显示掺杂会影响AlN晶体生长过程和晶体质量。. 研究了所制备的纯AlN、AlGaN和掺杂AlN样品的紫外发光性能和发光机理。结果显示，纯AlN在260-350nm紫外波段具有良好的发光性能，属于缺陷发光。AlN六方纳米管的紫外发光性能与样品的晶体质量和形貌有重要关系。小管径AlN纳米管具有更大的比表面积，其晶体缺陷的种类和数量可能更复杂，形成更宽发光带。AlGaN样品的不对称紫外发光带宽化来自于多种缺陷共存的缺陷发光，这是由于掺入Ga后，晶体能隙可能发生了改变，而晶体内部的缺陷和杂质能级结构也相应产生了变化。Mn掺杂AlN六方复杂纳米迷宫阵列在可见光区有良好的发光性能，主要来源于Mn离子的特征发光。Mg和Zn掺杂AlN纳米结构的紫外发射峰主要都来自于AlN的缺陷发光。结合对所制备产物的光学带隙的计算，初步掌握了样品紫外发光规律：样品内部存在大量缺陷导致了缺陷发光；不同生长条件会使产物的结晶性、内部缺陷状态发生变化，进而导致发光峰的偏移或宽化，结晶性越好，近带边的缺陷发光越易出现，反之，发光峰容易发生宽化并红移；掺杂影响晶体结构中的缺陷状态。. 本项目研究取得了纯相及掺杂AlN新型六方形态纳米管制备的突破，解决了AlN六方纳米管阵列大面积合成及其基底结合问题，在制备方法、生长机理及基本应用性能方面取得翔实研究资料和成果，为AlN纳米管阵列的物理性能研究和应用开发奠定先决条件。