Нанотрубка из нитрида галлия - Gallium nitride nanotube

Зигзагообразные и кресельные нанотрубки GaN

Нанотрубки из нитрида галлия (GaNNT) являются нанотрубки из нитрид галлия. Их можно выращивать химическое осаждение из паровой фазы (диаметры 30–250 нм).[1][2][3]

История

Монокристалл нитрид галлия нанотрубки были впервые синтезированы Пейдун Ян и его исследовательская группа на химическом факультете Университета Беркли 10 апреля 2003 г.[3] Синтез был достигнут первоначальным созданием нанопровода из чистых кристаллов оксид цинка на сапфировая вафля с помощью процесса, который Ян и его коллеги ранее создали, так называемого эпитаксиального литья. Эти нанопроволоки оксида цинка затем использовались в качестве шаблонов, на которых выращивались кристаллы нитрида галлия. химическое осаждение из паровой фазы.[3] Как только кристаллы нитрида галлия образовались, к сапфировая вафля чтобы позволить испарение ядер нанопроволоки 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 нитрида галлия.

Общая форма и размер

GaNNT - это форма одномерного материала, аналогичного более широко известному Углеродные нанотрубки. Экспериментальный и теоретический анализ GaNNT показал, что эти нанотрубки могут быть сконструированы с диаметром 30-250 нм и толщиной стенок 5-100 нм.[3][2] GaNNT также различаются тем, как трубы «свернуты». 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 постоянная решетки, c, элементарной ячейки GaNNT. Постоянная решетки зависит от длина облигации атомов. Для зигзагообразной формы c = 3 - (длина скрепления), а для формы кресла c = √3 - (длина связи). 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]

Ленточная структура

В запрещенная зона Количество GaNNT зависит как от прокатки, так и от 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 зигзагообразных GaNNT ширина запрещенной зоны значительно увеличилась бы, ширина запрещенной зоны для «кресельных» GaNNT увеличилась бы незначительно. Вакансия азота в структуре, которая, хотя и является энергетически невыгодной, более вероятна, чем вакансия галлия, приводит к образованию зоны, которая зависит от спиновых состояний электронов. Полоса для электронов со спином вниз создает незаполненную полосу над Уровень 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 на роль спинтроник вычислительные системы.[2]

Механический

На механические свойства GaNNT влияет прокатка нанотрубок, хотя неясно, играет ли роль размер нанотрубок. В Модуль для младших был рассчитан как 793 ГПа для нанотрубки типа кресло (5,5), в то время как для зигзагообразной нанотрубки (9,0) был рассчитан как 721 ГПа. Для кресла (5,5) и нанотрубок (9,0) другие расчетные значения включают максимальное предел прочности составляла 4,25 и 3,43 эВ / Ангстрем, критическая деформация составляла 14,6% и 13,3%, а коэффициент Пуассона составило 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 обладают достаточной энергией для преодоления энергетического барьера активации, что приводит к деформации при более низких деформациях. Скорость деформации материала вызывает снижение прочности на разрыв, когда скорость деформации ниже. Это происходит из-за того, что материал не подвергается постоянной деформации повсюду, в результате чего некоторые участки материала имеют более высокие напряжения, чем другие. Более низкая скорость деформации позволяет GaNNT больше времени для того, чтобы вызвать адекватные локальные деформации, и поэтому пластическая деформация происходит раньше. Это означает, что более низкая скорость деформации приводит к более низкой прочности на разрыв.[4]

Синтез

Гексагональные нанотрубки нитрида галлия (h-GaN)

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

Направленный на шаблон метод

В шаблонном методе используется гексагональный оксид цинка (ZnO). нанопроволока как шаблоны. С помощью химическое осаждение из паровой фазы, тонкие слои GaN наносятся на шаблоны, создавая отливку из эпитаксиальный рост. Шаблоны нанопроволоки ZnO затем удаляются термическим восстановлением и испарением. Анализ с использованием просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) показывает, что остаток ZnO, наряду 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. С помощью энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) было замечено, что нанотрубки имеют соотношение интенсивности 1: 1 в галлии и азоте. Нанотрубки имели толщину стенок от 5 до 50 нм и внутренний диаметр от 30 до 200 нм.[5]

Пар-твердый рост

Нанотрубки GaN можно изготавливать без шаблона. Еще один способ изготовления нанотрубок h-GaN - это двухэтапный процесс преобразования Оксид галлия (III) (Ga2О3) нанотрубок в нанотрубки h-GaN. Этот метод приводит к меньшим отклонениям в размере и форме получаемых нанотрубок. Полученные нанотрубки имеют длину около 10 нм, равномерный внешний диаметр около 80 нм и толщину стенки около 20 нм. Этот метод дает продукцию 4-5,0%, что зависит от количества Ga2О3 настоящее.[5]

Нанотрубки из кубического нитрида галлия (c-GaN)

Использование Ga2О3 порошки и аммиак (NH3), нанотрубки c-GaN также могут быть синтезированы 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 Цельсия (на 200 градусов выше, чем условия, необходимые для выращивания нанотрубок h-GaN), и постоянно увеличивался на протяжении всего процесса. Еще одно условие требовало, чтобы расход NH3 и н2 увеличиваться во время двухступенчатой ​​химической реакции, необходимой для создания нанотрубок.[6]

На первом этапе требовался углерод из графитового тигля, который реагировал с Ga.2О3 производить Ga2О пар. Затем пар реагирует с NH.3 для производства твердых наночастиц GaN, которые собираются в NH3 и н2 поток. Затем наночастицы транспортируются в низкотемпературную индукционную печь, где они собираются группами на углеродном волокне и самоорганизуются прямоугольными нанотрубками в результате роста паров твердого тела. Большинство сформированных 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 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

Производство в больших масштабах

M. Jansen et al. разработала недорогой, быстрый и крупномасштабный процесс производства нанотрубок из нитрида галлия. Это было достигнуто за счет использования комбинации литография и индуктивно связанная плазма сверху вниз травление изготовить маску жесткого травления из кремний нано-кольцевой массив.[7] Затем массив нанокольцев помещался на поверхность объемного нитрида галлия и травленый прочь, чтобы получить структуры из нанотрубок равных пропорций.[7]

Интеграция микрочипов

Чу-Хо Ли и его исследовательская группа в Сеульский национальный университет в Корея смогли синтезировать индий легированные нанотрубки нитрида галлия, которые были изготовлены на кремний субстраты. 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 создавать микрочипы с более высокой скоростью обработки за счет использования межчиповой и внутричиповой оптической связи.[8]

Форма трубки и форма излучаемого света

Чанги Ли и его исследовательская группа в Университет Нью-Мексико недавно показали, что при изменении геометрии отверстий на нанотрубках нитрида галлия форма излучаемого света изменяется, когда он действует как светодиоды.[9] Группа использовала электронный луч литография для создания четко определенных полых областей кольцевой формы внутри нанотрубок нитрида галлия, что в конечном итоге привело к излучаемому свету кольцевой формы.[9]

Рекомендации

  1. ^ Нитрид галлия создает новый вид нанотрубок. lbl.gov (12 мая 2003 г.). Проверено 29 марта 2017.
  2. ^ а б c Морадиан, Ростам; и другие. (Сентябрь 2008 г.). "Структура и электронные свойства нативных и дефектных нанотрубок нитрида галлия". Письма о физике A. 372 (46): 6935–6939. Дои:10.1016 / j.physleta.2008.09.044.
  3. ^ а б c d е ж Goldberger, J; Ее; Zhang, Y; Ли, S; Ян, Н; Choi, H.J .; Ян, П (2003). «Монокристаллические нанотрубки нитрида галлия». Природа. 422 (6932): 599–602. Дои: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. Дои:10.1088/0957-4484/15/12/006.
  5. ^ а б Солнце, Янган (2009). «Перспективные важные полупроводниковые нанотрубки: синтез, свойства и применение». Журнал химии материалов. 19 (41): 7592–7605. Дои:10.1039 / b900521h. Получено 29 ноябрь 2017.
  6. ^ а б c Ху, Юнгин (2004). «Рост монокристаллических кубических нанотрубок GaN с прямоугольным поперечным сечением». Современные материалы. 16 (16): 1465–1468. Дои:10.1002 / adma.200400016.
  7. ^ а б Кулон, П. (2017). «Оптические свойства и моды резонатора в осевых микрополостях InGaN / GaN из нанотрубок». Оптика Экспресс. 25 (23): 28246–28257. Дои:10.1364 / OE.25.028246. Получено 29 ноябрь 2017.
  8. ^ а б Хонг, Янг (9 декабря 2015 г.). «Излучение светодиодных микромассивов с цветовой настройкой неполярных гетероструктур на основе нанотрубок InxGa1 – xN / GaN». Научные отчеты. 5: 18020. Дои:10.1038 / srep18020. ЧВК  4673456. PMID  26648564.
  9. ^ а б Ли, Чанги (13 июля 2015 г.). "Излучение кольцевой формы из лазеров на нанотрубках нитрида галлия" (PDF). ACS Photonics. 8 (2): 1025–1029. Дои:10.1021 / acsphotonics.5b00039.