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硅上的石墨烯-AlGaN纳米锥阵列

导读: 挪威和德国的研究人员在硅上使用石墨烯掩模生长出了氮化铝镓(AlGaN)纳米锥阵列。

挪威和德国的研究人员在硅上使用石墨烯掩模生长出了氮化铝镓(AlGaN)纳米锥阵列。

[A. Mazid Munshi et al, Appl. Phys. Lett., vol113, p263102, 2018]

挪威CrayoNano AS公司、德国马克斯-普朗克学会光学所、德国亥姆霍兹柏林能源与材料中心、挪威科技大学(NTNU)和挪威科技工业研究院(SINTEF)的研究团队看到了该材料在紫外(UV)发光二极管,光电探测器和激光器的潜在应用价值。他们希望这种材料能够克服由晶格和热膨胀不匹配引起的缺陷的平面III族氮化物结构的问题。石墨烯可以实现准范德华外延,避免悬挂化学键引起的问题。

400nm波长以下的紫外光用于水和空气的固化,传感,食品加工和微生物消毒。在灭菌应用方面,对波长的限制会更加严格。例如,为了能够破坏DNA结构,需要利用小于~250nm的深UV。这些非常短的波长需要使用具有高铝分数的AlGaN合金材料。在这些问题得到解决之前,系统则将会继续依赖使用寿命短,有毒,体积大的汞灯。

单层石墨烯通过化学气相沉积(CVD)在铜箔上生长,然后再转移到具有天然氧化物层的2英寸硅(Si)衬底上。通过电子束光刻在石墨烯中形成孔图案(图1)。

硅上的石墨烯-AlGaN纳米锥阵列

图1:(a)在石墨烯上的空穴掩模和AlGaN纳米金字塔生长的示意图。(b)顶视图(c)扫描电子显微镜(SEM)图像:AlGaN纳米锥形阵列具有1μm间距方形图案,显示出良好的均匀性和非常高的成核产率。 插图(b):比例尺400nm。(d)具有2μm间距三角形图案的AlGaN纳米锥形阵列的顶视SEM图像。 插图(d):比例尺2μm。

使用金属有机气相外延(MOVPE)与三甲基铝(TMAl),三甲基镓(TMGa)和氨(NH3)前体生长AlGaN纳米锥。 氮化(可选)和成核,在1200℃下,产生了在1150℃下生长纳米锥的岛,硅烷(SiH4)用于n型掺杂。 研究人员估计,生长表面温度比热电偶读数低约100℃。

得到的纳米锥体具有六方碱基。从晶体结构中得到侧面呈现{10-12}个平面,与基板成约43°的倾斜角。 “由于用于纳米金字塔生长的NH3的量低,所以沿着<10-12>方向的生长速率缓慢,导致了{10-12}侧面的形成,”该团队解释说。一些纳米锥具有不清晰的侧面 - 这归因于在成核层上随后合并的多个AlGaN晶种的形成。

来自电子束激发的光响应 - 阴极发光(CL) - 在366nm处产生峰值(图2)。在550nm附近也存在非常强的与缺陷相关的发光。尽管在生长过程中存在约2.8%的铝,但在366nm处的峰似乎是来自于纯GaN的带边发射。研究人员评论说:“这表明次优生长条件使得材料质量下降,宽带边发射和强烈缺陷发光也表明,这可能是由于使用低量NH3和高量硅烷的流动造成的。”

硅上的石墨烯-AlGaN纳米锥阵列

图2:(a)和(b)从图1(b)和(c)中的样品和来自过度生长的金字塔的单金字塔获得的室温CL光谱。 (c)和(d)相同金字塔的SEM图像和全色CL强度映射。(e)图1(d)中顶视图SEM过度生长的金字塔阵列样本。 插图:放大样本; 比例尺2μm。

通过“改进生长技术来解决低铝掺入的问题。例如,脉冲生长技术或使用垂直流动MOVPE反应器“。

研究人员将MOVPE AlGaN / GaN / AlGAN异质结构添加到纳米锥中,AlGaN层在气相中生长了20%的铝。根据透射电镜(TEM)来看,总的过度生长厚度约为300nm。 AlGaN层生长15分钟的时间里,GaN沉积持续1分钟。

据研究小组称,来自过度生长材料的CL显示的在363nm附近的峰值,以及更长波长的肩峰上显示的许多峰,可能是“回音壁模式”。在这种情况下没有看到与缺陷有关的峰。

研究人员评论说:“过度生长的金字塔的这种优越的光学质量可能是由于使用高NH3流动导致形成了非常规则的六边形形状,使其具有光滑的侧面。”

横截面的TEM显示纳米锥体的基部处存在空腔,表明生长在孔的石墨烯边缘处是成核的。

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