一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法
【專利摘要】本申請公開了一種β?氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法，其中，β?氧化鎵納米線陣列薄膜的制備方法包括：將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面；將表面涂覆有金屬鎵的襯底在預設溫度條件焙燒第一預設時間，所述預設溫度的取值范圍為500?1200℃，所述第一預設時間的取值范圍為10?200min；冷卻所述襯底以及焙燒所得產物，獲得β?氧化鎵納米線陣列薄膜。利用所述方法制備所述β?氧化鎵納米線陣列薄膜具有采用的設備簡單、制備流程簡單和所需時間短的優點。更重要的是，β?氧化鎵納米線陣列薄膜中的β?氧化鎵納米線長度均一且有序排列，為進一步提高利用所述β?氧化鎵納米線陣列薄膜制備的光電器件的光電性能提供了前提條件。
【專利說明】
一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法
技術領域
[0001 ]本申請涉及材料科學技術領域，更具體地說，涉及一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]β-氧化鎵是一種具有廣闊應用前景的重要功能材料，其禁帶寬度為4.9eV，對應吸收波長為253nm，是一種天然的可用于制備日盲紫外探測器件的半導體材料。
[0003]現今主流的β-氧化鎵主要分為體材料、薄膜材料和納米結構，但是β-氧化鎵體材料的制備，特別是氧化鎵單晶材料的制備所需要的成本一般較高；而利用氧化鎵薄膜材料制備的光電器件的暗電流一般較高，響應時間較大，難以滿足實際應用的需求;有研究發現，氧化鎵納米結構形成的薄膜材料有制備工藝簡單、成本低廉以及利用其制備的光電器件的光電性能好的優點；氧化鎵納米線薄膜的具體制備流程詳見文獻:Weng W Y,Hsueh T J,Chang S J,et al.Growth of Ga2〇3 Nanowires and the Fabricat1n ofSolar-Blind Photodetector[J].Nanotechnology IEEE Transact1ns on,2011,10(5):1047-1052.但是以該方法制備的β-氧化嫁納米線薄膜中的氧化嫁納米線都是以雜亂無序的方式排布的，而氧化鎵納米線有序排列的氧化鎵納米線薄膜對于進一步提高利用其制備的光電器件的光電性能具有重要意義。
[0004]因此，如何改進所述β-氧化鎵納米線薄膜的制備工藝，從而獲得β_氧化鎵納米線有序排列的氧化鎵納米線薄膜成為目前亟需解決的問題之一。

【發明內容】

[0005]為解決上述技術問題，本發明提供了一種β_氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法，以實現制備氧化鎵納米線有序排列的氧化鎵納米線陣列薄膜的目的。
[0006]為實現上述技術目的，本發明實施例提供了如下技術方案:
[0007]—種β_氧化鎵納米線陣列薄膜的制備方法，包括:
[0008]將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面；
[0009]將表面涂覆有金屬鎵的襯底在預設溫度條件焙燒第一預設時間，所述預設溫度的取值范圍為500-12000C，包括端點值，所述第一預設時間的取值范圍為10-200min，包括端點值；
[0010]冷卻所述襯底以及焙燒所得產物，獲得β-氧化鎵納米線陣列薄膜。
[0011 ]優選的，所述將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面包括:
[0012]將預設質量的金屬鎵加熱融化；
[0013]將融化的金屬鎵涂于襯底表面；
[0014]將表面涂有融化的金屬鎵的襯底以預設轉速旋轉第二預設時間，所述第二預設時間的取值范圍為1-1 OOs，包括端點值。
[0015]優選的，所述預設質量的取值范圍為lO-lOOOmg，包括端點值。
[0016]優選的，所述預設質量的取值范圍為200_500mg，包括端點值。
[0017]優選的，所述預設溫度的取值范圍為800_1100°C，包括端點值。
[0018]優選的，所述襯底為c面藍寶石襯底或a面藍寶石襯底或r面藍寶石襯底。
[0019]—種β-氧化鎵納米線陣列薄膜，采用上述任一實施例所述的方法制得，包括:
[0020]襯底；
[0021 ]位于襯底表面的β_氧化鎵薄膜；
[0022]位于所述β-氧化鎵薄膜背離所述襯底一側的有序的β-氧化鎵納米線陣列。
[0023]優選的，還包括:
[0024]位于所述襯底與所述β-氧化鎵薄膜之間的金屬鎵層。
[0025]優選的，所述β_氧化鎵納米線陣列中的β_氧化鎵納米線為沿[110]晶向生長的β_氧化鎵納米線。
[0026]從上述技術方案可以看出，本發明實施例提供了一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法，利用所述方法制備所述氧化鎵納米線陣列薄膜不需要加入摻雜試劑、表面活性劑、酸堿試劑和添加劑，具有采用的設備簡單、制備流程簡單和所需時間短的優點。更重要的是，發明人通過對采用所述方法制備的氧化鎵納米線陣列薄膜進行光學結構表征分析發現，所述氧化鎵納米線陣列薄膜中的氧化鎵納米線長度均一且有序排列，實現了制備氧化鎵納米線有序排列的氧化鎵納米線陣列薄膜的目的，為進一步提高利用所述氧化鎵納米線陣列薄膜制備的光電器件的光電性能提供了前提條件。
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為本申請的一個實施例提供的一種β_氧化鎵納米線陣列薄膜制備方法的流程示意圖；
[0029]圖2為本申請的一個實施例提供的一種利用所述方法制備的β_氧化鎵納米線陣列薄膜的結構示意圖；
[0030]圖3為本申請的實施例1中制備獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的SEM照片以及對應位置元素分布的線掃描圖譜；
[0031 ]圖4為本申請的實施例1中制備獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的XRD譜圖；
[0032]圖5為本申請的實施例1中制備獲得的β_氧化鎵納米線陣列薄膜的TEM照片(左)和SAED圖片(右)；
[0033]圖6為本申請的另一個實施例提供的一種利用所述方法制備的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035]本申請實施例提供了一種β_氧化鎵納米線陣列薄膜的制備方法，如圖1所示，包括:
[0036]SlOl:將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面；
[0037]S102:將表面涂覆有金屬鎵的襯底在預設溫度條件焙燒第一預設時間，所述預設溫度的取值范圍為500-1200°C，包括端點值，所述第一預設時間的取值范圍為10-200min，包括端點值；
[0038]S103:冷卻所述襯底以及焙燒所得產物，獲得β-氧化鎵納米線陣列薄膜。
[0039]在上述實施例的基礎上，在本申請的一個實施例中，所述將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面包括:
[0040]SlOll:將預設質量的金屬鎵加熱融化；
[0041 ] S1012:將融化的金屬鎵涂于襯底表面；
[0042]S1013:將表面涂有融化的金屬鎵的襯底以預設轉速旋轉第二預設時間，所述第二預設時間的取值范圍為1-1 OOs，包括端點值。
[0043]需要說明的是，所述預設轉速的可選取值范圍為lOOO-lOOOOrpm，包括端點值。所述預設質量的取值范圍為1-1OOOmg，包括端點值。在本申請的一個優選實施例中，所述預設質量的優選的取值范圍為200-500mg，包括端點值，但本申請對所述預設質量的具體取值范圍并不做限定，具體視實際情況而定。
[0044]在上述實施例的基礎上，在本申請的另一個優選實施例中，所述預設溫度的優選的取值范圍為800-1100°C，包括端點值。在本申請的一個實施例中，所述預設溫度的取值為1000 0C，但在本申請的其他實施例中，所述預設溫度的取值還可以為5000C、600°C、800°C、1100°C或1200°C，本申請對所述預設溫度的取值范圍和具體取值并不做限定，具體視實際情況而定。
[0045]需要說明的是，利用所述方法制備所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜時，通過控制所述預設溫度和預設質量的具體取值，制備獲得的所述氧化鎵納米線陣列薄膜的具體結構可以如圖2所示，包括:
[0046]襯底10;
[0047]位于襯底10表面的金屬鎵層20;
[0048]位于所述金屬鎵層20背離所述襯底10—側的β-氧化鎵薄膜30;
[0049]位于所述β-氧化鎵薄膜30背離所述金屬鎵層20—側的有序的β-氧化鎵納米線陣列40。
[0050]在本實施例中，所述金屬鎵層20與半導體性質的β-氧化鎵薄膜30之間形成良好的歐姆接觸，而一般而言，與所述氧化鎵薄膜30形成歐姆接觸是很困難的，但是利用所述方法僅需要通過控制步驟SlOl中涂于所述襯底10表面的金屬鎵的質量，以及步驟S102中的預設溫度的取值就可以直接在制備獲得的所述氧化鎵納米線陣列薄膜中存在一層與所述β-氧化鎵薄膜30形成良好歐姆接觸的金屬鎵層20，為制備具有優異光電性能的光電器件提供了前提條件。
[0051]需要說明的是，利用所述方法制備的所述β_氧化鎵納米線陣列薄膜中的金屬鎵層20的厚度的取值范圍為0.1-20μπι，包括端點值;所述β_氧化鎵納米線陣列薄膜中β_氧化鎵納米線的長度的取值范圍為0.1-10μπι、所述β-氧化鎵納米線的直徑的取值范圍為50-100μm，所述β_氧化鎵納米線陣列40的厚度的取值范圍為0.1-1 Oym。
[0052]在上述實施例的基礎上，在本申請的又一個優選實施例中，所述襯底10為c面藍寶石襯底或a面藍寶石襯底或r面藍寶石襯底。本申請對所述襯底10的具體類型并不做限定，只要所述襯底10具有硬度大、耐高溫和絕緣的特性即可，具體視實際情況而定。
[0053]為了更好的表征利用所述方法制備的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的結構，在下面的實施例中，通過米用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)和透射電子顯微鏡(Transmiss1n Electron Microscope，TEM)來表征所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜的表面形貌特征和顆粒大小。使用X射線衍射(X-ray diffract1n，XRD)表征所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜中的晶體結構。使用選區電子衍射(selected area electron diffract1n，SAED)表征所述β_氧化鎵納米線陣列薄膜中β_氧化鎵納米線陣列40的生長取向。
[0054]實施例1:
[0055]在本實施例中，所述方法的具體流程包括:
[0056]S201:將200mg金屬鎵加熱融化后涂到c面藍寶石襯底上；
[0057]S202:將表面涂有金屬鎵的c面藍寶石襯底置于旋涂機上，以5000rpm的轉速旋轉20s ；
[0058]S203:將經過旋涂后的c面藍寶石襯底在空氣或者氧氣條件下，1000 °C高溫焙燒80min后冷卻，獲得所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜。
[0059]接下來對實施例1中獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜進行SEM掃描和XRD測試。圖3為實施例1中獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的SEM照片和對應位置元素分布的線掃描圖譜，從圖中可以看出，所得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜為多層結構;從c面藍寶石襯底(主要成分為氧化鋁，對應于附圖3中的Al2O3)向上分別為金屬鎵層20、β-氧化鎵薄膜30和β-氧化鎵納米線陣列40。構成所述β-氧化鎵納米線陣列40的β-氧化鎵納米線垂直于c面藍寶石襯底，排列有序且長度和直徑均一。通過對附圖3進行分析可得，所述β-氧化鎵納米線的長度約為4-5μπι，直徑約為100-200nm。金屬鎵層20的厚度大約為12μπι。
[0060]圖4為實施例1中獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的XRD譜圖，對圖中的特征峰進行比對可以看出，所得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜材料為β-氧化鎵。但是在XRD譜圖中沒有觀察到金屬鎵層20的特征峰，這是因為金屬鎵的熔點為29.8°C，在常溫下易融化為粘稠狀液體，因此無法在XRD譜圖看到與金屬鎵層20對應的特征峰。其中，標號為c-sapphire的特征峰代表所述c面藍寶石襯底的特征峰，其他標號的特征峰均為β-氧化鎵的特征峰。
[0061 ]圖5為實施例1中獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的TEM照片和SAED圖片。從附圖5中可以看出，實施例1中得到的β-氧化鎵納米線陣列薄膜中的β-氧化鎵納米線沿[110]晶向生長。
[0062]實施例2:
[0063]在本實施例中，為了檢驗加入金屬鎵的質量(即所述預設質量)對獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜的影響，除了所述預設質量與實施例1不同外，其他反應條件均與實施例1保持相同。即，將步驟S201中的金屬鎵的質量分別設定為10mg、100mg、300mg、500mg和I OOOmg進行實驗。[OO64] 實驗結果表明，當所述預設質量分別為10mg、100mg、300mg、500mg和100mg時，所制備的0-氧化鎵納米線陣列薄膜的金屬鎵層20的厚度分別為(^111、24111、144111、1541]1和154111。其原因可能是當金屬鎵的加入質量過少時，少量的金屬鎵在高溫條件下完全氧化，在還未形成β_氧化鎵薄膜30之前，金屬鎵就已經被完全氧化，導致制備的β-氧化鎵納米線陣列薄膜中不存在所述金屬鎵層20，而正如前面所述，金屬鎵層20可以與半導體性質的β-氧化鎵薄膜30之間形成良好的歐姆接觸，為制備具有優異光電性能的光電器件提供了前提條件。因此，在利用所述方法進行β-氧化鎵納米線陣列薄膜的制備時，優選的預設質量的取值范圍為200-500mg，包括端點值。
[°065]當然，在本申請的其他實施例中，所述預設轉速的取值還可以為1000rpm、2000rpm或lOOOOrpm，本申請對所述預設轉速的具體取值并不做限定，具體視實際情況而定。
[0066]實施例3:
[0067]在本實施例中，為了檢驗高溫氧化溫度對制備的所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜的影響，在實施例1的基礎上，步驟S203中的預設溫度的取值不同以外，其他反應條件保持不變。所述預設溫度的取值分別為500 °C、600 °C、800 °C、1100 °C和1200 °C。
[0068]實驗結果表明，當所述預設溫度的取值分別為500 °C、600°C、800°(:、1100°(:和1200°(:時，制備獲得的β-氧化鎵納米線陣列薄膜中的β-氧化鎵納米線的平均長度分別為10nm以內、10nm以內、1μηι、2μηι和6μηι;β-氧化鎵納米線陣列薄膜中金屬鎵層20的厚度分別為15μm以上、15μηι以上、12μηι、5μηι和Ομπι。其原因可能是當所述預設溫度過低時，金屬鎵層20不易被氧化形成氧化鎵，而當所述預設溫度過高時，金屬鎵層20容易完全氧化，難以在所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜中形成金屬鎵層20。因此，利用所述方法進行β-氧化鎵納米線陣列薄膜的制備過程中，所述預設溫度的優選范圍為800°C-110(TC，包括端點值。
[0069]相應的，本申請實施例還提供了一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜，所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜采用上述任一實施例所述的方法制得。
[0070]在上述實施例的基礎上，在本申請的一個實施例中，所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜的結構如圖6所示，包括:
[0071]襯底10;
[0072]位于襯底10表面的β-氧化鎵薄膜30;
[0073]位于所述β-氧化鎵薄膜30背離所述襯底10—側的有序的β-氧化鎵納米線陣列40。
[0074]在上述實施例的基礎上，在本申請的另一個實施例中，通過控制所述預設溫度和預設質量的具體取值，制備獲得的所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜的具體結構還可以如圖2所示，包括:
[0075]襯底10;
[0076]位于襯底10表面的金屬鎵層20;
[0077]位于所述金屬鎵層20背離所述襯底10—側的β-氧化鎵薄膜30;
[0078]位于所述β-氧化鎵薄膜30背離所述金屬鎵層20—側的有序的β-氧化鎵納米線陣列40。
[0079]在本實施例中，所述金屬鎵層20與半導體性質的β-氧化鎵薄膜30之間形成良好的歐姆接觸，而一般而言，與所述氧化鎵薄膜30之間形成歐姆接觸是很困難的，但是利用所述方法僅需要通過控制所述預設溫度和預設質量的具體取值就可以直接在制備獲得的所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜中存在一層與所述β-氧化鎵薄膜30形成良好歐姆接觸的金屬鎵層20，為制備具有優異光電性能的光電器件提供了前提條件。
[0080]需要說明的是，所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜中的金屬鎵層20的厚度的取值范圍為0.1-20μπι，包括端點值;所述β-氧化鎵納米線陣列薄膜中β-氧化鎵納米線的長度的取值范圍為0.1-10μηι、所述β-氧化鎵納米線的直徑的取值范圍為50-100μηι，所述β-氧化鎵納米線陣列40的厚度的取值范圍為0.1-10μπι。
[0081]在上述實施例的基礎上，在本申請的一個優選實施例中，所述襯底10為c面藍寶石襯底或a面藍寶石襯底或r面藍寶石襯底。本申請對所述襯底10的具體類型并不做限定，只要所述襯底10具有硬度大、耐高溫和絕緣的特性即可，具體視實際情況而定。
[0082]在上述實施例的基礎上，在本申請的另一個實施例中，所述β_氧化鎵納米線陣列40中的β-氧化鎵納米線為沿[110]晶向生長的β-氧化鎵納米線。
[0083]綜上所述，本申請實施例提供了一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜及其制備方法，利用所述方法制備所述氧化鎵納米線陣列薄膜不需要加入摻雜試劑、表面活性劑、酸堿試劑和添加劑，具有采用的設備簡單、制備流程簡單和所需時間短的優點。更重要的是，發明人通過對采用所述方法制備的氧化鎵納米線陣列薄膜進行光學結構表征分析發現，所述
氧化鎵納米線陣列薄膜中的氧化鎵納米線長度均一且有序排列，實現了制備氧化鎵納米線有序排列的氧化鎵納米線陣列薄膜的目的，為進一步提高利用所述氧化鎵納米線陣列薄膜制備的光電器件的光電性能提供了前提條件。
[0084]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0085]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種β-氧化鎵納米線陣列薄膜的制備方法，其特征在于，包括: 將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面； 將表面涂覆有金屬鎵的襯底在預設溫度條件焙燒第一預設時間，所述預設溫度的取值范圍為500-1200°C，包括端點值，所述第一預設時間的取值范圍為10-200min，包括端點值；冷卻所述襯底以及焙燒所得產物，獲得氧化鎵納米線陣列薄膜。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將融化的金屬鎵旋涂于襯底表面包括: 將預設質量的金屬鎵加熱融化； 將融化的金屬鎵涂于襯底表面； 將表面涂有融化的金屬鎵的襯底以預設轉速旋轉第二預設時間，所述第二預設時間的取值范圍為1-1 OOs，包括端點值。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述預設質量的取值范圍為lO-lOOOmg，包括端點值。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述預設質量的取值范圍為200-500mg，包括端點值。5.根據權利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述預設溫度的取值范圍為800-1100 °C，包括端點值。6.根據權利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述襯底為c面藍寶石襯底或a面藍寶石襯底或r面藍寶石襯底。7.—種β_氧化鎵納米線陣列薄膜，其特征在于，采用權利要求1-6任一項所述的方法制得，包括: 襯底； 位于襯底表面的β-氧化鎵薄膜； 位于所述氧化鎵薄膜背離所述襯底一側的有序的氧化鎵納米線陣列。8.根據權利要求7所述的β-氧化鎵納米線陣列薄膜，其特征在于，還包括: 位于所述襯底與所述氧化鎵薄膜之間的金屬鎵層。9.根據權利要求7或8所述的β-氧化鎵納米線陣列薄膜，其特征在于，所述β-氧化鎵納米線陣列中的氧化鎵納米線為沿[110 ]晶向生長的β-氧化鎵納米線。
【文檔編號】B82Y30/00GK105826433SQ201610344764
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】陳星 , 劉可為, 李炳輝, 張振中, 王瀟, 楊佳霖, 申德振
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所