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1、稀土掺杂氮化镓纳米粉溶胶凝胶制备及发光机理研究【摘要】 与主导微电子产业的 Ge、Si、GaAs、GaP 等半导体相比,具有优异性能的氮化镓(GaN)材料已成为当前最受重视的 III-V 族化合物半导体材料之一,在微电子、光电子、通讯领域具有广阔的应用前景。由于稀土掺杂半导体材料的光谱范围可以从紫外光、可见光一直延伸到近红外光范围,直接宽带隙的 GaN 材料非常有利于稀土离子的掺杂发光,且稀土掺杂 GaN 材料所制备的发光器件具有高亮度、长寿命、单色性好等优点1-8。因此本文的主要研究目标是制备本征及 Pr、Ce、La 等稀土元素掺杂的 GaN 粉末,并通过与理论计算结果的对比研究其发光性能的
2、变化。本文在介绍 GaN 材料和稀土元素性质的基础上,分析了制备 GaN 材料技术的优缺点、影响性能的因素(杂质和缺陷),选用氧化镓为镓源、稀土氧化物为杂质源,柠檬酸为络合剂,利用成本低、易操作、掺杂均匀的溶胶-凝胶技术制备出未掺杂和稀土掺杂的纳米 GaN 粉体。利用 X 射线衍射、傅立叶红外光谱、光致发光谱对所制备的粉体进行微观晶体结构和光学性能的表征,分析研究了各工艺条件对粉体质量的影响、掺杂对能带结构和光学性能的影响。同时从理论上利用第一性原理的密度泛函理论,选用MS 软件分析研究了. 更多还原【Abstract】 Comparing with Ge, Si, GaAs and GaP,
3、 GaN which has excellent performance has become the most valued III-V clan compound semiconductor materials, it has wide application in the area of microelectronics, optical-electronics and communications. The spectrum of rare earth doped semiconductors extend from ultraviolet light, visible light u
4、ntil to near infrared light, the wide band gap GaN materials are very beneficial to luminescence of rare earth ions doping, and the devices of rare earth doping GaN. 更多还原 【关键词】 GaN 纳米材料； 溶胶-凝胶法； 稀土掺杂； 光学性质；【Key words】 GaN nano materials； Sol-Gel； rare earth doped； optical properties； 摘要 3-4 Abstract
5、 4 引言 9-11 第一章 绪论 11-20 1.1 GaN 的研究现状 11-13 1.1.1 GaN 薄膜的研究发展与现状 11-12 1.1.2 GaN 粉体的研究发展与现状 12 1.1.3 GaN 材料的应用研究现状 12-13 1.2 GaN 材料的制备 13-16 1.2.1 薄膜制备方法 13-15 1.2.1.1 分子束外延(MBE) 14 1.2.1.2 金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 14 1.2.1.3 氢化物气相外延(HVPE) 14-15 1.2.2 GaN 粉体的制备 15-16 1.2.2.1 沉淀法 15 1.2.2.2 水热法 15-16 1.2.2
6、.3 微乳液法 16 1.3 溶胶-凝胶法(Sol-Gel) 16-18 1.3.1 溶胶-凝胶法的化学过程 17-18 1.3.2 溶胶-凝胶法的特点 18 1.4 本论文研究内容 18-20 第二章 稀土掺杂 GaN 的基础理论 20-24 2.1 GaN 材料的相关性质 20-21 2.1.1 GaN 的基本结构 20 2.1.2 GaN 的相关性质 20-21 2.2 稀土的性质 21-22 2.2.1 稀土元素的性质 21-22 2.2.2 稀土改性机理 22 2.3 稀土掺杂 GaN 的性质分析 22-24 2.3.1 GaN 的发光性质 22-23 2.3.2 稀土掺杂 GaN
7、的发光性质 23-24 第三章 GaN 材料的第一性原理计算 24-35 3.1 从头计算方法(ab initio) 24-25 3.2 密度泛函理论(DFT) 25-26 3.2.1 Hohenberg-Kohn 定理 25 3.2.2 局域密度近似(LDA) 25-26 3.3 CASTEP 软件介绍 26-28 3.3.1 CASTEP 软件的主要功能 26-27 3.3.2 CASTEP 软件的使用方法 27-28 3.4 本征 GaN 晶体材料的计算 28-31 3.5 稀土离子掺杂 GaN 材料的计算 31-34 3.6 本章小结 34-35 第四章 溶胶-凝胶法制备 GaN 粉体
8、 35-52 4.1 实验准备及注意事项 35-37 4.2 样品的制备 37-43 4.2.1 样品制备方案 37-38 4.2.2 样品表征方案 38-39 4.2.2.1 X 射线衍射(XRD) 38 4.2.2.2 傅立叶红外光谱分析(FTIR) 38-39 4.2.2.3 光致发光谱(PL) 39 4.2.3 材料制备过程 39-43 4.2.3.1 本征 GaN 粉体的制备 40-41 4.2.3.2 稀土掺杂 GaN 粉体的制备 41-43 4.3 样品表征的结果与讨论 43-51 4.3.1 预处理产物的分析 43 4.3.2 柠檬酸及 pH 值对 GaN 的影响 43-45 4.3.3 退火温度对 GaN 的影响 45-47 4.3.4 不同稀土掺杂的分析 47-49 4.3.5 GaN 发光谱的分析 49-51 4.4 本章小结 51-52 第五章 本文主要结论 52-54 参考文献
