[发明专利]生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用，包括生长在Ti衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的(In)GaN纳米柱。本发明采用的Ti衬底价格低廉，有利于降低器件成本；其次，本发明采用的Ti衬底导电性能好，可以直接作为器件的电极，无需制备欧姆接触电极，简化了器件工艺。本发明公开的Ti衬底上(In)GaN纳米柱的制备方法，具有生长工艺简单，制备成本低的优点，而且本发明制备的(In)GaN纳米柱晶体质量好，禁带宽度可调，比表面积大，可实现可见光光谱响应，适用于光电解水产氢。

技术领域

本发明涉及(In)GaN纳米柱领域，特别涉及生生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。

背景技术

氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点，在国防科技、航天航空、工业生产中已经大量运用。作为一种理想的能源载体，氢可以通过燃烧产生动力(如氢燃气轮机、氢汽车发动机等)，也可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及电驱动车。光电化学(Photoelectrochemical，PEC)解水产氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，具有重要的研究意义。

在过去的几十年中，研究人员主要致力于探索能够实现高效PEC解水的半导体材料。其中，(In)GaN材料带隙可调，可实现可见光光谱范围内光电解水产氢，引起了研究人员的广泛关注。此外，当(In)GaN材料缩小到纳米尺寸的纳米柱时，表现出了一些独特的性能：(1)(In)GaN纳米柱具有高的比表面积，其高的比表面积使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，能显著降低缺陷密度，进而降低载流子非辐射复合的概率；(2)纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别参加析氢、析氧反应；(3)纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收，提高对太阳光的利用，并且增大了半导体/电解液的界面反应面积。综上所述，(In)GaN纳米柱在光电解水产氢领域具有独特的优势，是理想的光电解水材料。

目前，(In)GaN纳米柱主要是基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石1014Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)、成本高等问题。电阻率较大的蓝宝石、单晶Si作为(In)GaN纳米柱基光电极的衬底材料，在制备电极时，需要蒸镀多层金属层制备欧姆接触电极，增大了器件工艺的复杂程度。因此寻找一种价格低廉、导电性能好的衬底材料应用于生长(In)GaN纳米柱，对(In)GaN纳米柱光电解水产氢应用意义重大。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明采用一种成本低、导电性能好的Ti金属衬底。金属Ti衬底的导电性能好，可以直接作为器件的电极，无需制备欧姆接触电极，简化了器件工艺。再次，金属Ti衬底价格相对较低，有利于降低器件成本。

本发明的目的在于提供一种生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法。(In)GaN外延层的尺寸减小到纳米范围形成的纳米柱结构是应变弛豫的，几乎没有缺陷，晶体质量高。

本发明的另一目的在于提供上述生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的光电解水产氢应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，包括Ti衬底1，生长在Ti衬底1上的AlN缓冲层2，生长在AlN缓冲层2上的(In)GaN纳米柱3。

优选的，所述Ti衬底为普通Ti金属。

优选的，所述AlN缓冲层的厚度为5～50nm，当AlN缓冲层的厚度达到5～50nm时生长(In)GaN纳米柱的应力得到释放。另外，(In)GaN纳米柱由于较大的比表面积，使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，有利于在Ti金属衬底上生长高质量的(In)GaN纳米柱。

优选的，所述(In)GaN纳米柱包括GaN、InGaN、InN纳米柱，以及InGaN/GaN、InN/InGaN核/壳结构纳米柱。