[发明专利]一种氮化钪立方晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于稀土氮化物纳米材料及其制备的技术领域，特别涉及了一种简单、高效的制备氮化钪立方晶体的方法。

背景技术

过渡金属氮化物(Transition Metal Nitrides，TMN)因具有高的机械强度以及高硬度的性质，长期以来被广泛用于材料的耐磨防护层，不仅如此，由于其同时兼具光学、电子、磁学等有趣的物理属性，使其在电子产业领域中有着广阔的应用前景（Blackie Academic & Professional,London,1996,pp.107–120.）。与传统的半导体材料相比，过渡金属氮化物是元素N插入到过渡金属晶格中所生成的一类金属间充型化合物，它兼具有共价化合物、离子晶体和过渡金属3种物质的性质。由于元素N的插入，致使金属晶格扩张，金属间距和晶胞常数变大，金属原子间的相互作用力减弱，产生相应的d带收缩修饰和Fermi能级附近态密度的重新分布，价电子数增加，结构也随之变化。通过调谐氮和过渡金属元素在化合物中的空缺比率，可以调控材料的电子结构以及输运属性，这种调变使过渡金属氮化物拥有多种化学组分，组分及电子结构的改变也使这类化合物具有了独特的物理和化学性能，这些性质为半导体器件的应用提供了物理基础（Phys.Rev.Lett.86(2001)3348,Acta Mater.52(2004)173-180;J.Alloy.Compd.308(2000)178-188,J.Alloy.Compd.389(2005)42-46）。

IIIB族过渡金属氮化物作为过渡金属氮化物家族中重要的一员，在过去的几年中，以其优异的半导体属性，越来越引起人们的注意。其中对氮化钪（ScN）的研究相对集中，如Appl.Phys.Lett.772485(2000)；J.Appl.Phys.90 1809(2001);Journal of Crystal Growth 293(2006)2422-46；Journal of materials science:Materials in electronic 15(2004)555-559；J.Appl.Phys.86,5524(1999)；J.Appl.Phys.90,1809(2001)等。ScN拥有高熔点、高硬度、高机械强度、高温稳定性、化学惰性以及优异的电子传输属性等物理性质，使其在半导体器件应用中起到了重要的作用。由于它具有很高的熔点（>2600℃）使其可以作为IIIA族氮化物的欧姆接触材料；同时，其与纤锌矿结构的氮化镓（GaN）匹配的晶格常数使其成为一种生长高质量GaN晶体、GaN/ScN异质结构以及ScGaN合金的理想的缓冲层。最近的研究表明，ScN具有很高的Mn溶解度，这使得它成为一种制造磁性半导体材料的理想材料。

目前，由于实验技术手段的限制，ScN的制备工作仍少有进展，少数的工作主要集中于薄膜材料的制备(Appl.Phys.Lett.77,2485(2000)；J.Appl.Phys.84,6034(1998);J.Appl.Phys.86,5524(1999)；J.Appl.Phys.90,1809(2001))，并且制备的条件苛刻，需要极高的真空条件以及很高的温度，制备过程繁琐，产量很低，并且由于薄膜材料自身应用的局限性，极大的限制了以ScN为基底的半导体材料的发展。

利用电弧法制备ScN立方晶体结构的报道还未出现。与本专利最相近的报道为（Journal of materials science:Materials in electronic 15(2004)555-559），该报道中利用纯金属Sc在氮气的氛围中预先升华，制备出ScN原粉，然后再次升华ScN原粉，在预先放置的钨箔上收集到最终的ScN产物。对比于该报道，本专利利用纯金属Sc粉与氮气直接化合，控制实验条件，一步制备出高纯度、高产量的ScN立方晶体材料，不需要繁琐的重复升华-凝聚过程，不需要任何的沉积基片，更不需要苛刻的真空条件，实验过程简单便利，同时由于电弧自身具备产物产量大、纯度高、实验操作简单便利等优点，利于大规模的工业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，公开一种ScN立方晶体；克服传统制备方法中的诸多限制，设计了一种制备ScN立方晶体的方法，该方法简单、重复性好、成本低、无催化剂、无模板、无需苛刻的真空条件、对环境友好，制备出的ScN立方晶体的产量大、纯度高。