氮化镓纳米材料的压电效应及相关器件的研究

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氮化镓作为一种性能优越的半导体材料,在电子学和光学领域有着不可替代的应用。尽管纤锌矿结构氮化镓还具有微弱的压电性质,但相较于锆钛酸铅(PZT)和氧化锌等,其压电效应的研究和应用并不普遍。纳米材料具有很多宏观材料所不具有的独特性质,研究氮化镓纳米材料的压电效应将有望实现构建高性能的新型光电子学器件。本文利用化学气象沉积法制备了氮化镓纳米材料并对其压电效应进行了测量。在此基础上,设计和构建了一些基于一维氮化镓纳米材料的压电电子学器件,并对其电学输运特性做了详细的研究。主要内容如下:  探索了基于气-固生长机制和气-液-固生长机制制备氮化镓纳米材料的工艺条件。发现无催化剂引导的气-固生长方式往往由于没有形成有效的成核点,很难制备出表面光滑的一维氮化镓纳米材料,但通过优化工艺可以制备出氮化镓薄膜;而由镍(Ni)或者硝酸镍(Ni(N03)2)催化剂引导的气-液-固生长易于制备质量较好的氮化镓纳米线。但相较于Ni催化剂,利用Ni(NO3)2催化剂制备的纳米线有着更大的长径比和更好的光学质量,这归因于Ni(NO3)2形成的催化剂小球的小尺寸以及更加疏松的分布,而催化剂尺度以及分布的疏密程度则决定初始生长的富镓缓冲层的形成并影响所生长的氮化镓纳米线的长径比。  结合压电力响应显微镜技术和双频率共振追踪技术对基于气-固机制生长的氮化镓薄膜的压电效应进行了测量,观察到了其压电响应幅度-电压回线以及相位-电压回线,计算了其平面内压电系数最大可达3.67pm/V。同时使用传统的压电力响应显微镜技术测得基于气-液-固机制生长的氮化镓纳米线的压电系数d31为19.82pm/V。最后设计了一种基于氮化镓纳米线压电效应的压差式密度传感器,通过对其压力探测模块进行了模拟仿真得到了其理想状况下特性曲线,初步设计出了压差式密度传感器的信号处理电路。  通过使用PMMA对生长在SiO2/Si基底上的氮化镓纳米线阵列进行包覆后,利用氢氟酸溶液将SiO2腐蚀,实现了大面积氮化镓纳米线阵列的衬底转移,并由此制备出了柔性的基于氮化镓纳米线阵列的肖特基型照度传感器。对不同光照条件下传感器的输运性质做了测量,计算了传感器的灵敏度和光响应度分别达到4×105%和31.8mA/W。对不同弯曲条件下传感器输运特性进行研究,发现通过氮化镓纳米线的压电效应可以调节器件界面处的肖特基势垒高度,从而提高传感器的灵敏度和探测极限。实验中的衬底转移方法对于制备大规模柔性氮化镓基光电子器件具有一定的启示意义。
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