一维氮化铟半导体纳米材料的合成与物性研究

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最近很多文献研究表明:InN的禁带宽度也许是0.7eV左右,而不是先前普遍接受的1.9eV。禁带宽度的减小,使得InN的发光波长达到1.55μm。因此,通过调节InxGa1-xN三元合金中的In组分x的变化可以获得从0.7eV(InN)到3.4eV(GaN)的连续可调直接带隙,这就提供了对应太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙,使得设计新型高效太阳能电池成为极大的可能。理论上,基于InN的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限(72%)。理论研究表明:在所有Ⅲ族氮化物半导体材料中,InN具有良好的稳态和瞬态电学传输特性,它有最大的电子迁移率、最大的峰值速率、最大的饱和电子漂移速率、最大的尖峰速率和有最小的带隙、最小的电子有效质量等优异的性质。InN的各种优良性质和潜在的应用价值引起了科学家的极大兴趣和广泛关注,在过去一段时间里取得了一些重大突破,但是,InN合成和检测都非常困难:①InN需要较高的N平衡压力,热稳定性较差,而作为氮源的NH3的分解温度较高,这是InN生长的一对矛盾。②很难找到与之晶格常数和热膨胀系数相匹配的衬底材料。③通常情况下合成出的本征InN都显示出很强的n型电导特性,这给p型掺杂带来了很大的困难。由于上述这些困难,到目前为止,人们对InN的合成与热学、光学和电学等物性的研究和了解还远不如其它Ⅲ族氮化物半导体材料那样深入和透彻。基于上面的论述和分析,我们提出了一套完整系统的解决问题的办法和研究思路:第一,我们以金属铟粒(In)和氨气(NH3)为初始原料,以普通的石英舟为载体,不需要加入催化剂,使用管式炉为基本合成仪器,应用化学气相输运(Chemical Vapor Transportation,CVT)原理,通过气固(Vapor Solid,VS)生长机制,成功地合成出了氮化铟(InN)半导体纳米材料,然后,我们对反应条件进行控制,比如反应温度、气体流量和反应时间等,以达到对InN的形貌进行调节的目的,最终,我们得到了InN纳米线(有些带有分支结构)、纳米棒、纳米管、纳米线缠绕物、镂空纳米管、纳米管槽和纳米糖葫芦(即纳米线上间隔地生长有纳米管)等形貌丰富奇特的纳米结构,并且采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨扫描电子显微镜(HR-SEM)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)等手段对合成出来的InN的结构、成键情况、形貌和成分等进行了表征,InN为纯净的单一相六方纤锌矿结构。第二,我们把合成出来的InN在空气中进行氧化,成功地合成出了氧化铟(In2O3)半导体纳米材料,In2O3为纯净的单一相体心立方晶体结构,我们观察发现,In2O3具有和InN相同的形貌,即InN在空气里氧化的过程中形貌保持不变,这为合成纯净的单一相体心立方晶体结构的In2O3提供了一条新的道路。第三,我们研究了InN和In2O3的物性,其中以研究光学性质为主,并且采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见吸收光谱(UV-VIS)、荧光光谱(FS)和拉曼光谱(RS)等手段对合成出来的InN和In2O3进行了表征。第四,我们研究了InN的高压相变,并且采用美国Brookhaven国家实验室的原位高压同步辐射角色散X射线衍射等手段对合成出来的InN进行了表征,在压力为12.91GPa左右时,InN开始发生结构相变,最终由六方纤锌矿结构InN相变为立方岩盐矿结构InN。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-8页
目录第9-12页
第一章 绪论第12-34页
    1.1 半导体材料的简介第12-14页
    1.2 纳米材料的简介第14-22页
        1.2.1 纳米材料的历史简介第14-20页
        1.2.2 纳米材料的类型第20-21页
        1.2.3 纳米材料的特性第21-22页
    1.3 InN 的研究进展第22-29页
        1.3.1 InN 的基本特征第22-25页
        1.3.2 InN 的基本物性第25-26页
        1.3.3 InN 在国内外的研究现状和进展第26-29页
    1.4 论文选题的意义和论文研究的目的第29-32页
    1.5 论文研究的主要内容第32-34页
第二章 一维 InN 半导体纳米材料的合成与表征第34-85页
    2.1 引言第34页
    2.2 实验装置第34-35页
    2.3 InN 纳米线、纳米棒和纳米管等各种纳米结构的合成第35-37页
    2.4 表征仪器第37-38页
    2.5 测试结果第38-85页
        2.5.1 X 射线衍射(XRD)第38-43页
        2.5.2 X 射线光电子能谱(XPS)第43-55页
        2.5.3 扫描电子显微镜(SEM)第55-61页
        2.5.4 高分辨扫描电子显微镜(HR-SEM)第61-77页
        2.5.5 高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)第77-85页
第三章 一维 InN 半导体纳米材料的物性研究第85-92页
    3.1 引言第85页
    3.2 表征仪器第85-86页
    3.3 傅里叶变换红外光谱(FTIR)第86-87页
    3.4 紫外-可见吸收光谱(UV-VIS)第87-88页
    3.5 荧光光谱(FS)第88-90页
    3.6 拉曼光谱(RS)第90-92页
第四章 一维 InN 半导体纳米材料的高压研究第92-100页
    4.1 引言第92页
    4.2 高压下物质的特殊性质第92-93页
    4.3 高压表征仪器简介第93-96页
    4.4 测试结果第96-100页
第五章 结论与展望第100-102页
    5.1 主要结论第100-101页
    5.2 未来展望第101-102页
参考文献第102-112页
攻读硕士学位期间发表的学术论文第112-113页
作者简介第113-114页
致谢第114-115页
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