[发明专利]一种制备高品质氮化镓纳米粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备高品质氮化镓纳米粉体的方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是一种直接带隙宽禁带半导体材料，在光电子和微电子器件等方面具有广泛的用途。目前其研究与应用已成为全球半导体研究的前沿和热点。科研工作者对GaN粉体的制备进行了大量深入的研究。目前人们一般采用固相法、液相法和气相法三种方法来获得大量的GaN粉体。一些通用的镓基前驱物基本为氧化镓、氯化镓或含镓的有机化合物，这些镓基物质大多较为昂贵、对空气敏感甚至为剧毒，这些不利因素会导致合成GaN的成本增高，且在制备过程中对合成设备提出较高要求；不仅于此，这些方法合成出的GaN粉体还会因为前驱物中存在的杂质元素而不可避免地受到污染，这也会导致合成产物不纯。(J.Mater.Chem.2005，15，2175；Adv.Mater.2004，16，425；Nano Lett.2007，7，3512；J.Am.Chem.Soc.2005，127，15722；J.Phys.Chem.B2001，1050，11922；Chem.Mater.1999，11，2299；Chem.Mater.2001，13，12；Chem.Mater.2009，21，4080.)所以，大量的GaN粉末如果是以氨气或者氮气在较高温度下直接氮化金属Ga得到，这将是最简便最经济的路径。然而金属Ga在温度高于30℃时往往由于自身很大的表面张力而以大液滴形式存在，这样尽管在高于1000℃的高温下氮化，N原子还是很难进入。因此，到目前为止还鲜有关于通过直接氮化金属Ga来大量制备GaN纳米粉体的报道。

在我们以前报道的报道中，以可溶性盐硫酸钠为分散剂，通过研磨后，使得金属Ga能够较为均匀地分布在可溶性盐的表面，然后在管式炉中充分氮化金属Ga和Na₂SO₄的混合物后，金属Ga全部转化成GaN，再经过蒸馏水冲洗，即可制得纯的直径为6-7nm的GaN纳米晶。(CN101845671B)但由于使用的可溶性盐Na₂SO₄的熔、沸点较低(熔点低于850℃，同时发生分解)，这就限制了氮化温度不能高于800℃以上，所以最后得到的GaN产物的结晶度品质不高，也就限制了产物的应用范围。本发明采用具有很高熔点的可溶性盐为分散剂，即采用无水磷酸钠(熔点为1340℃)粉体为分散剂，在高温条件下(800℃以上)氮化金属镓与磷酸钠的混合物若干时间后，即可得到大量的GaN纳米粉体。由于该实验操作只需要很简单的研磨装置，在热化学气相沉积系统中氮化，所以可以很简便的按照需要大规模生产高品质GaN纳米粉体。

发明内容

本发明的目的提供一种高熔点的可溶性盐辅助合成高品质GaN纳米粉体。

本发明是通过下列技术方案来解决的：采用金属Ga与可溶性盐磷酸钠按质量比1∶2-10的比例在一定温度下进行充分混合、研磨，然后在750℃-1050℃温度内在管式炉中以氨气氮化混合物2-4小时，再以蒸馏水反复冲洗氮化后的混合物洗掉磷酸钠最后得到纯的高品质氮化镓纳米粉末。

附图说明

图1为本发明制备高品质GaN纳米粉体的示意图。

图2X射线衍射和拉曼光谱实验图以及红外光谱图，表明该产物为六方相的GaN，且氮化温度越高，得到的产物结晶度也越高；根据Scherrer公式可知纳米粉体的平均粒子大小在10～30nm。

图3：透射电镜(TEM)和高分辨电镜(HRTEM)图，表明GaN粉末是由纳米级粒子构成，且氮化温度越高，得到的产物结晶度也越高；在950℃温度下氮化得到的产物的纳米晶大小在～30nm，粒子的晶格条纹清晰可见，说明产物的结晶度很高。

具体实施方式

实施例1

在29℃下充分研磨1克金属Ga和3克磷酸钠，然后在750℃下以氨气在管式炉中氮化金属Ga和磷酸钠的混合物三小时，随后以蒸馏水反复冲洗氮化混合物洗掉磷酸钠，最后得到纯的GaN粉末。产物命名为GaN750，产物的表征如图2和图3所示。

实施例2

在29℃下按1∶3比例分别充分研磨金属Ga和磷酸钠混合物，然后在850℃温度下在管式炉中以氨气氮化混合均匀的金属Ga和磷酸钠混合物，再以蒸馏水反复冲洗氮化后的混合物洗掉磷酸钠，最后得到纯的GaN粉末。产物命名为GaN850，产物的表征如图2和图3所示。

实施例3

在29℃下按1∶3比例分别充分研磨金属Ga和磷酸钠混合物，然后在950℃温度下在管式炉中以氨气氮化混合均匀的金属Ga和磷酸钠混合物，再以蒸馏水反复冲洗氮化后的混合物洗掉磷酸钠，最后得到纯的GaN粉末。产物命名为GaN950，产物的表征如图2和图3所示。