氮化镓(GaN)纳米材料具有宽带隙,高热导率,稳定的化学性质,较大的饱和电子漂移速度等优良特点,它是Ⅲ-Ⅴ族半导体的代表。这些优良的特点使GaN纳米材料可以广泛的应用于高亮度LED、蓝光激光器、紫外探测器、大功率耐热器件。此外,由于非极性GaN材料可以消除压电极化氮化物发光器件辐射复合效率和发射波长蓝移。制备非极性氮化镓材料,氮化镓材料,已经成为一个新的研究重点。本论文采用化学气相沉积法(CVD),在硅(Si)和蓝宝石(Al2O3)衬底上制备了一维GaN纳米线,系统研究了GaN纳米线的生长机制、微结构及元素组成,并在此基础上开展了可利用电磁辐射能发电的新型GaN纳米发电机的研究,研究在GaN纳米线制备参数及应用上都取得了一些新进展。研究结果为我们下一步开展GaN纳米线器件组装及应用都打下了坚实的实验基础。本论文主要工作及结果如下：第一,采用CVD生长法,以金为催化剂,分别在硅(Si)和蓝宝石(Al2O3)衬底上制备了一维GaN纳米线阵列,研究了生长温度及原料配比对生长的GaN纳米线微结构、元素配比及特性的影响,实验结果表明Al2O3衬底易于GaN纳米线阵列的生长,生长的GaN纳米线多为棒状,其晶格匹配较好,纳米线表面光滑,结构中缺陷较少,生长的GaN纳米线为六角纤锌矿结构,纳米线的直径约为600nm,长度约为8-12μm;Si衬底上生长的纳米线低温下呈棉絮状,较高温度下呈鱼骨状,生长的GaN纳米线杂乱无序,线的长度随温度的升高而增加,平均直径约为170nm-200nm,长度可达几十至上百微米,随着纳米线长度的变长,GaN纳米线易于倾倒,导致基片上GaN纳米线杂乱无序。研究表明,1000℃下生长的GaN纳米线质量最好。第二,XRD分析结果表明,采用CVD生长方法制备的GaN纳米线,有三个主要的20衍射峰,分别对应于GaN的六角纤锌矿结构的(100)、(002)和(101)晶面,XRD衍射峰中还发现了金催化剂(111)晶面的特征峰。经比较可知,在Al2O3衬底上生长的GaN纳米线各特征谱峰强度较Si衬底上生长的纳米线更强,由此可知,Al2O3衬底上更利于GaN纳米线的生长,这是由于GaN纳米材料与Al2O3的晶格匹配度更高决定的。PL谱图分析表明,在不同条件下生长的GaN纳米线,PL谱图总体变化趋势基本相同,其PL谱图在530nm附近均出现一个较强的黄光发射峰,该发光峰与深能级杂质及深能级缺陷有关,一般认为是由导带或浅施主到深能级间的跃迁引起的。第三,采用CVD法在Si衬底上制备生长的GaN纳米线阵列,使用不同金属(Cu,Al)电极作为接触电极组装了一种新型纳米发电机,该发电机可将电磁辐射信号转换成电信号并输出电流。经研究分析,发现这种纳米线发电机的发电原理为电磁信号经连接纳米线与金属电极的连线组成的对称阵子天线将耦合到其上的电磁辐射信号转换成交流电,另一方面GaN线与金属接触电极之间形成的肖特基结形成一个可使电流单向导通的肖特基势垒,将周期性变化交流电信号转变为直流电流输出。研究表明,电磁辐射信号源与纳米发电机距离的远近直接影响电流信号的大小,相同距离下,电磁信号源辐射功率越大,产生电流就越大。实验发现,Cu金属电极组装的GaN纳米发电机产生的电流强于其他金属电极制作的纳米发电机。
