[发明专利]一种无催化剂生长β-Ga2O3纳米线的方法

说明书

本发明公开了一种无催化剂生长β‑Ga₂O₃纳米线的方法，是以水平管式炉作为反应装置，控制反应温度和气体流量等参数，通过VS生长机制获得高质量β‑Ga₂O₃纳米线。本发明的工艺简单、成本低廉、易于推广，且所得产物纯度高、电学和光学特性优异。

技术领域

本发明涉及一种无催化条件下β-Ga₂O₃纳米线的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

深紫外光指波长低于280nm的光，深紫外光电探测技术在刑侦、电网安全监测和森林火灾报警等领域具有广阔的应用前景。目前，由于传统器件结构的局限性，深紫外光电探测技术仍存在易受环境影响、光电性能差、响应速度慢和信号利用率低等问题。三族氮化物、氧化镓、氧锌镁、金刚石以及其它宽带隙半导体已经广泛用于深紫外光电器件，并且在过去的几十年中取得了很大的进步。其中，通过化学气相沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射、分子束外延等方法生长的包括块状、薄膜以及纳米结构的Ga₂O₃材料已被广泛应用于制造深紫外光电探测器。但是到目前为止，基于Ga₂O₃材料制造的深紫外光电探测器皆存在性能较差的问题，原因主要在于所用Ga₂O₃材料的品质较差，尤其是纯度较低。

Ga₂O₃的五种相分别称为α-、β-、γ-、δ-和ε-，其性质取决于制备条件。在所有这些相中，β相的热稳定性和化学稳定性最高，而所有其它相处于亚稳态并且在高温(超过600℃)下能转变成β相。β-Ga₂O₃在室温下具有约4.9eV的宽带隙，属于C2/m空间群，具有单斜结构，晶格常数为β＝103.7°(“a”和“c”轴之间的角度)。

目前，在理论以及实验中，低维半导体材料在改善器件性能方面已经显示出了显著的优势。因此，生长高质量的Ga₂O₃的纳米结构在过去几年中也受到了极大的关注。化学气相沉积法制备纳米线一般涉及两种生长机制：气-液-固(VLS)和气-固(VS)。在VLS机制的情况下，纳米线生长的成核位点需要外界催化剂。纳米线的界面能、生长方向和直径由这些成核位置控制。因此，选择适当的催化剂是该机理中的重要因素，贵金属金(Au)是通常所使用的催化剂，各种过渡金属如镍(Ni)、钴(Co)和铁(Fe)也用于纳米线的生长。在这种方法中，催化剂结合在最终产物中，因此不利于实现需要精确掺杂的纳米电子器件，残留的金属催化剂对光电器件的性能也有一定的影响。相比于VLS机制，在VS生长机制的情况下，不需要外界催化剂，因此所制备的纳米线纯度很高，有利于实现高性能纳米电子和光电器件。这些纳米线直接通过富含源物质的蒸汽(保持在非常高的温度)反应后凝结在基板上(保持在低温区域)。但是，纳米材料作为微观材料，其制备条件的严苛性，使其条件摸索具有很大的挑战。到目前为止，由于未寻找到适宜的成核条件，人们尚未实现利用VS生长机制在无催化剂的条件下制备高质量的β-Ga₂O₃纳米线，大大限制了包括深紫外光电探测器在内的基于β-Ga₂O₃纳米线的深紫外光电器件的发展与性能提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无催化剂生长β-Ga₂O₃纳米线的方法，旨在通过VS机制获得高质量、高纯度的β-Ga₂O₃纳米线，所生长的β-Ga₂O₃纳米线可用于制备高性能的深紫外光电探测器。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种无催化剂生长β-Ga₂O₃纳米线的方法，其特点在于，包括如下步骤：