Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Зигзагообразные и кресельные нанотрубки GaN

Нанотрубки из нитрида галлия (GaNNT) представляют собой нанотрубки из нитрида галлия . Их можно выращивать методом химического осаждения из газовой фазы (диаметр 30–250 нм). [1] [2] [3]

История [ править ]

Монокристаллические нанотрубки нитрида галлия были впервые синтезированы Пейдонгом 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 поверхности. сапфировая пластина посредством процесса Янг и его коллег , ранее созданных под названием эпитаксиального литья. Эти нанопроволоки оксида цинка затем использовались в качестве темплатов, на которых кристаллы нитрида галлия выращивались методом химического осаждения из газовой фазы . [3] После образования кристаллов нитрида галлия ксапфировая пластина для испарения ядер нанопроволоки из оксида цинка. В результате остались полые нанотрубки из нитрида галлия, поскольку нитрид галлия является гораздо более термостойким материалом по сравнению с оксидом цинка. Полученные нанотрубки нитрида галлия были однородными по длине 2-5 мкм и диаметром 30-200 нм. [3]

Структура и свойства нанотрубок из нитрида галлия [ править ]

Общая форма и размер [ править ]

GaNNT - это форма одномерного материала, аналогичного гораздо более широко известным углеродным нанотрубкам . Экспериментальный и теоретический анализ GaNNT показал, что эти нанотрубки могут быть сконструированы с диаметром 30-250 нм и толщиной стенки 5-100 нм. [3] [2] GaNNT также различаются тем, как трубы «скручиваются». Рулоны классифицируются по тому, как изгибается молекулярная структура, и используют формат (n, m), чтобы определить, как трубка была изогнута в форму. Двумя наиболее распространенными формами являются зигзаг с изгибом (n, 0) и кресло с изгибом (n, n). И размер нанотрубок, и вращение нанотрубки играют роль в свойствах любой данной 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 скрепления), а для формы кресла c = √ 3 - (длина скрепления). Теоретическая оценка определила, 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 0K до 800K. [3]

Структура группы [ править ]

Ширина запрещенной зоны от GaNNTs зависит как от прокатки и размера конкретной нанотрубки. Было обнаружено, что GaNNT зигзагообразной формы будет иметь прямую запрещенную зону, а GaNNT «кресло» - непрямую. Кроме того, ширина запрещенной зоны увеличивается с увеличением радиуса. Однако, в то время как для зигзагообразного GaNNT ширина запрещенной зоны значительно увеличилась бы, ширина запрещенной зоны для «кресельного» GaNNT увеличилась бы незначительно. Вакансия азота в структуре, которая, хотя и энергетически невыгодна, более вероятна, чем вакансия галлия, приводит к образованию зоны, которая зависит от спиновых состояний электронов. Зона для электронов со спином вниз создает незаполненную зону над уровнем Ферми.и увеличивает ширину запрещенной зоны, в то время как зона для электронов со спином вверх создает заполненную зону под уровнем Ферми и уменьшает ширину запрещенной зоны. Это спин-зависимое расщепление зон делает GaNNT потенциальным кандидатом для спинтронных вычислительных систем. [2]

Механический [ править ]

На механические свойства GaNNT влияет прокатка нанотрубок, хотя неясно, играет ли роль размер нанотрубок. В модуле Юнга был вычислен , чтобы быть 793 ГПА для (5,5) кресла нанотрубки, в то время , которое было вычислено для (9,0) зигзагообразных нанотрубок , чтобы быть 721 ГПА. Для кресла (5,5) и нанотрубок (9,0) другие расчетные значения включают: максимальный предел прочности при растяжении составлял 4,25 и 3,43 эВ / Ангстрем, критическая деформация составляла 14,6% и 13,3%, а коэффициент Пуассона составлял 0,263 и 0,221. соответственно. Предполагается, что свойства любой промежуточной (n, m) нанотрубки будут иметь свойство где-то в этих диапазонах. [4]

На механические свойства также влияют температура материала и скорость деформации нанотрубки. Что касается температуры, прочность на разрыв GaNNT уменьшается при более высокой температуре. При более высоких температурах большее количество молекул обладает достаточной энергией для преодоления энергетического барьера активации, что приводит к деформации при более низких деформациях. Скорость деформации материала приводит к снижению прочности на разрыв, когда скорость деформации ниже. Это происходит из-за того, что материал не подвергается постоянной деформации повсюду, в результате чего в некоторых местах материала возникают более высокие напряжения, чем в других местах. Более низкая скорость деформации позволяет 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 более низкой прочности на разрыв.[4]

Синтез [ править ]

Гексагональные нанотрубки из нитрида галлия (h-GaN) [ править ]

Нанотрубки из нитрида галлия (GaN) в основном формируются одним из двух способов: с использованием метода направленного темплата или паротвердого роста (VS).

Метод, ориентированный на шаблон [ править ]

Шаблонный метод использует нанопроволоку гексагонального оксида цинка (ZnO) в качестве шаблона. Используя химическое осаждение из газовой фазы , на шаблоны наносят тонкие слои GaN, создавая отливку в результате эпитаксиального роста . Шаблоны нанопроволоки ZnO затем удаляются термическим восстановлением и испарением. Анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии(ПЭМ) показывает, что остаток ZnO вместе с тонкой пленкой пористого GaN все еще находится в верхней части нанотрубок после удаления темплатов. Это результат выхода цинка и кислорода из шаблона через пористый слой GaN на начальных этапах формирования нанотрубки. Этот метод производил нанотрубки h-GaN, которые в основном имели один открытый и один закрытый конец, хотя также были обнаружены трубки с открытыми обоими концами. Используя энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (EDS), было обнаружено, что нанотрубки имеют соотношение интенсивности 1: 1 в галлии и азоте. У нанотрубок толщина стенок составляла от 5 до 50 нм, а внутренний диаметр - от 30 до 200 нм. [5]

Пар-твердый рост [ править ]

Нанотрубки GaN можно изготавливать без шаблона. Другой способ изготовления нанотрубок h-GaN - это двухэтапный процесс, в котором нанотрубки оксида галлия (III) (Ga 2 O 3 ) преобразуются в нанотрубки h-GaN . Этот метод приводит к меньшему изменению размера и формы получаемых нанотрубок. Полученные нанотрубки имеют длину около 10 нм, равномерный внешний диаметр около 80 нм и толщину стенок около 20 нм. Этот метод дает 4-5,0% продуктов, что зависит от количества присутствующего Ga 2 O 3 . [5]

Нанотрубки из кубического нитрида галлия (c-GaN) [ править ]

Используя порошки Ga 2 O 3 и аммиак (NH 3 ), нанотрубки c-GaN также можно синтезировать без использования шаблона в паротвердом процессе. Вместо этого используется высокотемпературный процесс без катализатора, который требует определенных условий. Одним из таких условий была высокая температура. Рост нанотрубок для нанотрубок c-GaN производился при температуре около 1600 градусов по Цельсию (на 200 градусов выше, чем условия, необходимые для выращивания нанотрубок h-GaN), и постоянно увеличивался на протяжении всего процесса. Другое условие требовало увеличения расхода NH 3 и N 2 во время двухступенчатой ​​химической реакции, необходимой для создания 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 потоком NH 3 и N 2 . Затем наночастицы транспортируются в индукционную печь с более низкой температурой, где они будут собираться группами на углеродном волокне и самоорганизовываться в прямоугольные нанотрубки в результате роста пар-твердое тело. Большинство сформированных нанотрубок имеют квадратное или прямоугольное поперечное сечение длиной от 50 до 150 нм. Было обнаружено, что трубы имеют толщину стенок от 20 до 50 нм и большую 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 [ править ]

Крупномасштабное производство [ править ]

M. Jansen et al. разработала недорогой, быстрый и крупномасштабный процесс производства нанотрубок из нитрида галлия. Это было достигнуто путем использования комбинации литографии и травления сверху вниз с индуктивно связанной плазмой для создания маски жесткого травления из кремниевой нанокольцевой матрицы. [7] Затем нанокольцевая матрица была помещена на поверхность объемного нитрида галлия и протравлена для получения структур нанотрубок равных пропорций. [7]

Интеграция микрочипов [ править ]

Чу-Хо Ли и его исследовательская группа в Сеульском национальном университете в Корее смогли синтезировать нанотрубки нитрида галлия, легированные индием, которые были изготовлены на кремниевых подложках . Группа использовала эти нанотрубки в качестве светоизлучающих диодов, которые в основном излучали свет в зеленой видимой области спектра. [8] Поскольку синтез этих нанотрубок основан на контролируемых геометрических параметрах, нанотрубки из нитрида галлия потенциально могут позволить создать способы производства микрочипов с более высокой скоростью обработки за счет использования межчиповой и внутричиповой оптической связи. [8]

Форма трубки и форма излучаемого света [ править ]

Чанги Ли и его группа исследователей из Университета Нью-Мексико недавно показали, что изменение геометрии отверстий на нанотрубках из нитрида галлия приводит к изменению формы излучаемого света, когда они действуют как светодиоды . [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 [ править ]

  1. ^ Нитрид галлия создает новый вид нанотрубок . lbl.gov (12 мая 2003 г.). Проверено 29 марта 2017.
  2. ^ a b c Морадиан, Ростам; и другие. (Сентябрь 2008 г.). «Структура и электронные свойства нативных и дефектных нанотрубок нитрида галлия». Физика Буквы A . 372 (46): 6935–6939. DOI : 10.1016 / j.physleta.2008.09.044 .
  3. ^ Б с д е е Гольдбергер, J; Ее; Чжан, Й; Ли, S; Ян, Н; Чой, HJ; Ян, П (2003). «Монокристаллические нанотрубки нитрида галлия». Природа . 422 (6932): 599–602. DOI : 10,1038 / природа01551 . PMID 12686996 . 
  4. ^ а б Дженг, Йо-Рен; и другие. (Апрель 2004 г.). «Молекулярно-динамическое исследование механических свойств нанотрубок из нитрида галлия при растяжении и усталости». Нанотехнологии . 15 (12): 1737–1744. DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 15/12/006 .
  5. ↑ a b Sun, Yangang (2009). «Перспективные важные полупроводниковые нанотрубки: синтез, свойства и приложения» . Журнал химии материалов . 19 (41): 7592–7605. DOI : 10.1039 / b900521h . Проверено 29 ноября 2017 года .
  6. ^ a b c Ху, Юнгин (2004). «Рост монокристаллических кубических нанотрубок GaN с прямоугольным поперечным сечением». Современные материалы . 16 (16): 1465–1468. DOI : 10.1002 / adma.200400016 .
  7. ^ a b Кулон, П. (2017). «Оптические свойства и моды резонатора в осевых микрополостях InGaN / GaN из нанотрубок» . Оптика Экспресс . 25 (23): 28246–28257. DOI : 10,1364 / OE.25.028246 . Проверено 29 ноября 2017 года .
  8. ^ a b Хонг, Янг (9 декабря 2015 г.). "Излучение настраиваемых по цвету светодиодных микрочипов неполярных гетероструктур многослойных нанотрубок InxGa1 – xN / GaN" . Научные отчеты . 5 : 18020. дои : 10.1038 / srep18020 . PMC 4673456 . PMID 26648564 .  
  9. ↑ a b Li, Changyi (13 июля 2015 г.). "Кольцеобразное излучение лазеров на нанотрубках нитрида галлия" (PDF) . ACS Photonics . 8 (2): 1025–1029. DOI : 10.1021 / acsphotonics.5b00039 .