由于纳米半导体材料表现出的超出常规的性质,因此各种半导体材料的纳米结构成了人们研究的热点。纳米线、纳米带和纳米棒作为新颖的低维材料越来越多引起了人们的研究兴趣。这些低维纳米材料之所以吸引了众多研究者的兴趣,一方面是由于它们具有独特的结构,另一方面,当材料的尺寸小到一定程度时,会表现出一系列不同于体材料的新颖的物理性质,如电学性质中的量子干涉效应、光学性质中的量子限制效应(蓝移)、力学性能的极大提高等等。因此,纳米材料不论对基础理论研究,还是对纳米器件的制备和应用来说,都具有十分重要的意义。对于前者而言,低维纳米材料的合成,使介观尺度的物理现象的直接实验验证成为可能。准一维材料的研究的更大吸引力在于,它们可能是将来制造纳米器件的良好材料。以纳米碳管为例,它已被证明可用作高亮度的场发射电子源、纳米导线、纳米试管、纳米探针以及用来称量极小颗粒的“纳米称”;单层纳米碳管更被发现具有超导电性;利用纳米碳管和硅纳米线制备的M-S纳米异质结器件具有金属-半导体异质结二极管的整流效应。GaN基Ⅲ-Ⅴ族半导体材料由于其禁带宽度大、热稳定性和化学稳定性、波段覆盖了从可见光到紫外光部分,在光电子学和微电子学领域中有重要的应用前景。近年来发现一维GaN纳米材料具有许多新奇的物理特性,在一维器件系统方面具有极大的潜在应用价值、理论和实验都证明,GaN纳米材料可以显著提高其蓝、绿光的发光性质,为制备更高集成化的高质量光电子器件奠定了基础。因此GaN的一维纳米材料的研究成为当前研究GaN材料最活跃的领域之一。本文介绍了利用溅射加氨化的两步生长法在Si衬底上采用金属Nb作催化剂合成一维GaN纳米材料的方法。通过研究不同生长条件对制备一维GaN纳米材料的影响,初步提出并探讨了采用此方法合成一维GaN纳米材料的生长机制。用直流磁控溅射系统和射频磁控溅射系统,分别在在硅衬底上先后沉积Nb薄膜和Ga2O3薄膜,接着在氨气气氛中退火制备一维GaN纳米材料。用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外吸收谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和光致发光谱(PL)等测试手段详细分析了一维GaN纳米材料的结构、组分、形貌和光致发光特性。结果表明:合成的一维GaN纳米材料为六方纤锌矿结构。研究表明,氨化温度、氨化时间和金属催化剂Nb的厚度对一维GaN纳米材料的结晶程度和形貌具有很大的影响。室温下用325nm波长的光激发样品表面,只显示出一个很强的紫外光发射,发光强度随氨化时间、氨化温度的变化而变化,但发光峰位置基本保持不变。由于合成的大部分纳米结构的直径均大于GaN的玻尔激子半径(11nm),超出了量子限制效应起作用的范围,因此,对于这一个很强的紫外光发射的带边发光峰,与文献报道的GaN体材料的发光峰相比,没有发生蓝移。有关的发光机制还在进一步的研究中。一维GaN纳米材料的生长机制可归结为气体―液体―固体(VLS)生长机制。当铌在SiO2上沉积时,它会形成弥散的铌氧化物表活化相。表活化相铌氧化物与块状Nb2O5有显著差别,它显著影响着这些氧化物载体的物理和化学特性。我们认为这种铌氧化物表活化相为一维GaN纳米材料的生长提供了优先生长的位置点(或者说是能量点),它限制和引导了GaN纳米材料的生长。在径向生长模型中,催化剂颗粒的大小对纳米材料的直径起着至关重要的作用,但由于在我们的实验中金属Nb膜颗粒的尺寸很难均匀一致,因此我们得到的纳米材料的直径也不均匀。