[发明专利]一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列及其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及GaN纳米阵列及其制备方法，特别涉及生长石墨烯衬底上的GaN纳米阵列及其制备方法、应用。

背景技术

III族氮化物直接带隙半导体材料(AlN、GaN、InN等二元化合物及相应三元化合物)由于具有带隙宽、发光效率高、电子漂移饱和速度高、化学性质稳定、以及抗辐射耐高温等特点，因此在抗辐射、高温、高频和高功率电子器件、LED发光器件、激光器以及光探测器等微电子和光电子领域具有广阔的应用前景。

目前，一维GaN纳米阵列已被证实具有独特的物理特性，如量子尺寸效应，表面效应等，是当前国际纳米光电子器件领域的的前沿和热点。首先，GaN纳米线由于其横截面小可作为天然的Fabry–Pérot谐振腔，在室温光泵浦作用下表现出了优异的激光发射特性。其次，氮化物纳米阵列由于禁带宽度可调以及更高的光提取效率，可用于制备高功率大电流、宽谱白光二极管。GaN纳米阵列由于高比表面积还可作为室温下高效的紫外光响应探测器。此外，GaN纳米阵列在高频纳米场效应晶体管，异质结太阳能电池，可见光响应高效光催化器件等方面都具有重要的应用价值。

石墨烯作为最薄的单原子层二维材料，具有极高的载流子迁移率(230000cm2/V·s)、高的热导率(3000W/m·K)以及优越的光学特性(单层石墨烯的吸收率为2.3％)和力学特性(抗拉强度高达130GPa)，这说明石墨烯为生长GaN材料以及制备高效、柔性、高性能GaN基器件提供了优良的可行性。但是，很难直接在纯净的石墨烯薄膜层上外延生长GaN。这主要源于纯净的石墨烯层其sp2杂化C原子层表面性质稳定，无多余悬挂键用于提供给金属Ga原子进行反应形核，从而导致GaN形核率低，难以直接生长GaN。因此石墨烯衬底上生长GaN纳米材料一直是研究的热点和难点。因此有研究者采用了相关措施增加GaN在石墨烯层上的形核率，归纳主要有以下三种办法：(1)预沉积金属Ga或金属Ni，通过添加金属催化剂以增大GaN形核小岛密度。(2)粗糙化处理石墨烯衬底，例如利用氧等离子体处理石墨烯层制造缺陷，或光刻石墨烯层形成微米图案，或制备叠层多晶石墨烯。(3)预沉积其他形核层。插入AlN过渡层或预先沉积ZnO纳米墙等作为形核层。这些方法主要目的是增加石墨烯表面粗糙度，人为制造凸起棱边等形成富余悬挂键，加入催化剂、外来形核层或者损伤石墨烯表面，达到提高GaN在粗糙化石墨烯上的形核率的目的，但是其结果总会引入杂质或者损伤石墨烯的表面。

由此可见，要使石墨烯上GaN基高效、柔性、高性能GaN基器件真正实现广泛应用，最根本的办法就是解决石墨烯衬底上GaN形核难的问题，实现在石墨烯层上无催化无损伤地直接生长GaN纳米材料。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种生长在石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列，具有形核简单、具有柔性、高导热等优点，且制备成本低廉。本发明的目的之二在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列制备方法。本发明的目的之三在于提供上述石墨烯纳米片衬底上的分级GaN纳米阵列的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列，包括石墨烯纳米片衬底以及石墨烯纳米片衬底上无催化无损伤CVD生长的分级GaN纳米阵列，所述的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上。

一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用石墨烯纳米片为衬底，将制备的石墨烯纳米片旋涂于Si或蓝宝石衬底上，旋涂层数数次1-3次，旋涂速度1000-6000rmp；

(2)将步骤(1)中的石墨烯纳米片旋涂的衬底放入CVD水平管式炉中，采用化学气相沉积CVD法无催化生长分级GaN纳米阵列，通过控制管式炉工艺参数气氛流量的氨气流量、氮气流量；生长温度；生长时间，石墨烯衬底放置位置于1-3cm直径石英管中，最终直接无催化无损伤地生长出分级GaN纳米阵列。

进一步的，该石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，步骤(1)中制备的石墨烯纳米片直径为5-100um，厚度为0.5-2nm，浓度为0.1-1mg/ml。

进一步的，该石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列的制备方法，步骤(2)中控制管式炉工艺参数如下，气氛流量：氨气流量为10-100sccm，氮气为20-200sccm；生长温度：900-1100℃；生长时间：30-150min。