Нанотрубка из нитрида галлия
Нанотрубки нитрида галлия (GaNNT) представляют собой нанотрубки нитрида галлия . Их можно выращивать методом химического осаждения из паровой фазы (диаметр 30–250 нм). [1] [2] [3]
История
[ редактировать ]Впервые сообщалось, что монокристаллические нитрида галлия нанотрубки были синтезированы Пейдуном Яном и его исследовательской группой на химическом факультете Университета Беркли 10 апреля 2003 года. [3] Синтез был достигнут путем первоначального создания нанопроволок из чистых кристаллов оксида цинка на сапфировой пластине с помощью ранее созданного Яном и его коллегами процесса под названием эпитаксиальное литье. Эти нанопроволоки оксида цинка затем использовались в качестве шаблонов, на которых методом химического осаждения из паровой фазы выращивались кристаллы нитрида галлия . [3] подавали тепло, После образования кристаллов нитрида галлия к сапфировой пластине чтобы обеспечить испарение сердцевин нанопроволок из оксида цинка. В результате остались полые нанотрубки из нитрида галлия, поскольку нитрид галлия является гораздо более термостабильным материалом по сравнению с оксидом цинка. Полученные нанотрубки нитрида галлия имели однородную длину 2–5 мкм и диаметр 30–200 нм. [3]
Структура и свойства нанотрубок нитрида галлия
[ редактировать ]Общая форма и размер
[ редактировать ]GaNNT представляют собой форму одномерного материала, аналогичного гораздо более известным углеродным нанотрубкам . Экспериментальный и теоретический анализ GaNNT показал, что эти нанотрубки могут быть построены диаметром 30–250 нм и толщиной стенок 5–100 нм. [3] [2] GaNNT также различаются тем, как «свернуты» трубки. Рулоны классифицируются по тому, как изгибается молекулярная структура, и используют формат (n, m), чтобы определить, как трубка была согнута в нужную форму. Двумя наиболее распространенными образованиями являются зигзаг с изгибом (n, 0) и кресло с изгибом (n, n). Как размер нанотрубок, так и их прокатка играют роль в свойствах любого GaNNT.
Структурные свойства GaNNT начинаются с постоянной решетки c элементарной ячейки GaNNT. Постоянная решетки зависит от длины связи атомов. Для зигзагообразной формы c = 3 - (длина связи), а для формы кресла c = √ 3 - (длина связи). Теоретическая оценка показала, что оптимальная длина связи составляет 1,92 ангстрема и 1,88 ангстрема для зигзагообразных и «кресельных» нанотрубок соответственно. Эта геометрия трубки остается стабильной в очень широком диапазоне температур, от чуть выше 0К до 800К. [3]
Структура группы
[ редактировать ]Ширина запрещенной зоны GaNNT зависит как от скручивания, так и от размера конкретной нанотрубки. Было обнаружено, что зигзагообразный GaNNT будет иметь прямую запрещенную зону, а кресло-GaNNT будет иметь непрямую запрещенную зону. Кроме того, ширина запрещенной зоны увеличивается с увеличением радиуса. Однако, в то время как для зигзагообразного GaNNT ширина запрещенной зоны значительно увеличится, ширина запрещенной зоны GaNNT в кресле увеличится лишь незначительно. Вакансия азота в структуре, хотя и энергетически невыгодная, но более вероятная, чем вакансия галлия, приводит к образованию зоны, зависящей от спиновых состояний электронов. Зона для электронов со спином вниз создает незаполненную зону над уровнем Ферми и увеличивает запрещенную зону, тогда как зона для электронов со спином вверх создает заполненную зону под уровнем Ферми и уменьшает запрещенную зону. Это спин-зависимое расщепление зон делает GaNNT потенциальным кандидатом для спинтронных вычислительных систем. [2]
Механический
[ редактировать ]На механические свойства GaNNT влияет скручивание нанотрубок, хотя неясно, играет ли роль размер нанотрубок. Модуль Юнга был рассчитан как 793 ГПа для (5,5)-кресельной нанотрубки, а для (9,0) зигзагообразной нанотрубки - как 721 ГПа. Для (5,5) кресла и (9,0) нанотрубок другие расчетные значения включают максимальную прочность на разрыв 4,25 и 3,43 эВ/Ангстрем, критическое напряжение 14,6% и 13,3%, а коэффициент Пуассона 0,263 и 0,221. соответственно. Предполагается, что свойства любой (n, m) нанотрубки между ними будут находиться где-то в этих диапазонах. [4]
На механические свойства также влияют температура материала и скорость деформации, которой подвергается нанотрубка. Что касается температуры, предел прочности GaNNT снижается при более высокой температуре. При более высоких температурах больше молекул обладают достаточной энергией для преодоления энергетического барьера активации , что приводит к деформации при более низких деформациях. Скорость деформации материала приводит к снижению прочности на растяжение, когда скорость деформации ниже. Это связано с тем, что материал не находится под постоянным напряжением повсюду, в результате чего в некоторых местах материала возникают более высокие напряжения, чем в других местах. Более медленная скорость деформации дает GaNNT больше времени для того, чтобы вызвать адекватные локальные деформации, и, следовательно, пластическая деформация происходит раньше. Это означает, что более низкая скорость деформации приводит к снижению прочности на растяжение. [4]
Синтез
[ редактировать ]Гексагональные нанотрубки нитрида галлия (h-GaN)
[ редактировать ]Нанотрубки нитрида галлия (GaN) в основном формируются одним из двух способов: методом направленного темплата или методом выращивания из паровой фазы (VS).
Метод, ориентированный на шаблон
[ редактировать ]В шаблонном методе используется гексагональная нанопроволока в качестве шаблонов из оксида цинка (ZnO). С помощью химического осаждения из паровой фазы на шаблоны наносятся тонкие слои GaN, создавая отливку в результате эпитаксиального роста . Затем шаблоны нанопроволок ZnO удаляются путем термического восстановления и испарения. Анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показывает, что остаток ZnO вместе с тонкой пленкой пористого GaN все еще обнаруживается в верхней части нанотрубок после удаления темплатов. Это результат выхода цинка и кислорода из темплата через пористый слой GaN на начальных этапах формирования нанотрубки. Этим методом были получены нанотрубки h-GaN, которые в основном имели один открытый и один закрытый конец, хотя были также обнаружены трубки с открытыми обоими концами. С помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) было обнаружено, что нанотрубки имеют соотношение интенсивностей по галлию и азоту 1:1. Нанотрубки имели стенки толщиной 5–50 нм и внутренний диаметр длиной 30–200 нм. [5]
Паро-твердый рост
[ редактировать ]Нанотрубки GaN можно изготавливать без шаблона. Другой способ изготовления нанотрубок h-GaN — это двухстадийный процесс, в ходе которого нанотрубки оксида галлия (III) (Ga 2 O 3 ) превращаются в нанотрубки h-GaN. Этот метод обеспечивает меньшее изменение размера и формы получаемых нанотрубок. Полученные нанотрубки имеют длину около 10 нм, одинаковый внешний диаметр около 80 нм и толщину стенок около 20 нм. Этот метод дает 4-5,0% продуктов, что зависит от количества Ga 2 O 3 . присутствующего [5]
Нанотрубки кубического нитрида галлия (c-GaN)
[ редактировать ]Используя порошки Ga 2 O 3 и аммиак (NH 3 ), нанотрубки c-GaN можно также синтезировать без использования темплата в паро-твердом процессе. Вместо этого используется безкатализаторный высокотемпературный процесс, требующий определенных условий. Одним из таких условий была сильная жара. Рост нанотрубок для нанотрубок c-GaN осуществлялся при температуре около 1600 градусов Цельсия (на 200 градусов выше, чем условия, необходимые для выращивания нанотрубок h-GaN), и температура постоянно увеличивалась на протяжении всего процесса. Другое условие требовало увеличения скорости потока NH 3 и N 2 во время двухстадийной химической реакции, необходимой для изготовления нанотрубок. [6]
На первом этапе требовался углерод из графитового тигля, который реагировал с Ga 2 O 3 с образованием паров Ga 2 O. Затем пар вступает в реакцию с NH 3 с образованием твердых наночастиц GaN, которые улавливаются потоками NH 3 и N 2 . Затем наночастицы транспортируются в индукционную печь с более низкой температурой, где они собираются в группы на углеродном волокне и самособираются в прямоугольные нанотрубки посредством роста из паровой фазы. Большинство образующихся нанотрубок имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение длиной от 50 до 150 нм. Было обнаружено, что трубки имеют толщину стенок от 20 до 50 нм и длину в несколько микрометров. [6]
До применения этого метода нанокристаллиты c-GaN были единственными наноструктурами, которые можно было синтезировать в кубической структуре GaN. [6]
Недавний прогресс
[ редактировать ]Крупномасштабное производство
[ редактировать ]М. Янсен и др. разработала недорогой, быстрый и крупномасштабный процесс производства нанотрубок нитрида галлия. Это было достигнуто за счет использования комбинации литографии и с индуктивно-связанной плазмой сверху вниз травления для создания твердой маски травления массива кремниевых наноколец. [7] Затем массив наноколец был помещен на поверхность объемного нитрида галлия и вытравлен для получения структур нанотрубок равных пропорций. [7]
Интеграция микрочипов
[ редактировать ]Чу-Хо Ли и его исследовательская группа из Сеульского национального университета в Корее смогли синтезировать индием нанотрубки из нитрида галлия, легированные , которые были изготовлены на кремниевых подложках . Группа использовала эти нанотрубки в качестве светоизлучающих диодов, которые в основном излучали свет в зеленом видимом спектре. [8] Поскольку синтез этих нанотрубок основан на контролируемых геометрических параметрах, нанотрубки из нитрида галлия потенциально могут позволить создавать способы производства микрочипов с более высокой скоростью обработки за счет использования межчиповой и внутричиповой оптической связи. [8]
Форма трубки и форма излучаемого света
[ редактировать ]Чанги Ли и его исследовательская группа из Университета Нью-Мексико недавно показали, что при изменении геометрии отверстий нанотрубок из нитрида галлия меняется форма излучаемого света, когда они действуют как светоизлучающие диоды . [9] Группа использовала электронно-лучевую литографию для создания четко определенных полых областей кольцевой формы внутри нанотрубок нитрида галлия, что в конечном итоге привело к излучаемому свету кольцевой формы. [9]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Нитрид галлия создает новый вид нанотрубок . lbl.gov (12 мая 2003 г.). Проверено 29 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Морадиан, Ростам; и др. (сентябрь 2008 г.). «Структура и электронные свойства собственных и дефектных нанотрубок нитрида галлия». Буквы по физике А. 372 (46): 6935–6939. Бибкод : 2008PhLA..372.6935M . дои : 10.1016/j.physleta.2008.09.044 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Голдбергер, Дж; Ее; Чжан, Ю; Ли, С; Ян, Х; Чой, HJ; Ян, П. (2003). «Монокристаллические нанотрубки нитрида галлия». Природа . 422 (6932): 599–602. Бибкод : 2003Natur.422..599G . дои : 10.1038/nature01551 . ПМИД 12686996 .
- ^ Jump up to: а б Дженг, Йе-Рен; и др. (апрель 2004 г.). «Молекулярно-динамическое исследование механических свойств нанотрубок нитрида галлия при растяжении и усталости». Нанотехнологии . 15 (12): 1737–1744. Бибкод : 2004Nanot..15.1737J . дои : 10.1088/0957-4484/15/12/006 .
- ^ Jump up to: а б Сунь, Янган (2009). «Перспективные важные полупроводниковые нанотрубки: синтез, свойства и применение» . Журнал химии материалов . 19 (41): 7592–7605. дои : 10.1039/b900521h . Проверено 29 ноября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с Ху, Юнгинг (2004). «Выращивание монокристаллических кубических нанотрубок GaN с прямоугольным поперечным сечением». Продвинутые материалы . 16 (16): 1465–1468. Бибкод : 2004AdM....16.1465H . дои : 10.1002/adma.200400016 .
- ^ Jump up to: а б Кулон, П. (2017). «Оптические свойства и режимы резонансного резонатора в аксиальных микрорезонаторах нанотрубок InGaN/GaN» . Оптика Экспресс . 25 (23): 28246–28257. Бибкод : 2017OExpr..2528246C . дои : 10.1364/OE.25.028246 . hdl : 1983/f42d0872-4c02-47f1-add2-e5c25eb1bbd3 . Проверено 29 ноября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Хонг, Янг (9 декабря 2015 г.). «Светодиодные микрочипы с цветовой настройкой эмиссии неполярных многооболочечных гетероструктур нанотрубок InxGa1 – xN/GaN» . Научные отчеты . 5 : 18020. дои : 10.1038/srep18020 . ПМЦ 4673456 . ПМИД 26648564 .
- ^ Jump up to: а б Ли, Чанги (13 июля 2015 г.). «Кольцеобразное излучение лазеров на нанотрубках нитрида галлия» (PDF) . АСУ Фотоника . 8 (2): 1025–1029. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00039 .