稀土摻雜氮化鎵納米粉溶膠凝膠制備及發(fā)光機(jī)理研究【摘要】 與主導(dǎo)微電子產(chǎn)業(yè)的Ge、Si、GaAs、GaP等半導(dǎo)體相比,具有優(yōu)異性能的氮化鎵(GaN)材料已成為當(dāng)前最受重視的III-V族化合物半導(dǎo)體材料之一,在微電子、光電子、通訊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于稀土摻雜半導(dǎo)體材料的光譜范圍可以從紫外光、可見光一直延伸到近紅外光范圍,直接寬帶隙的GaN材料非常有利于稀土離子的摻雜發(fā)光,且稀土摻雜GaN材料所制備的發(fā)光器件具有高亮度、長壽命、單色性好等優(yōu)點(diǎn)1-8。因此本文的主要研究目標(biāo)是制備本征及Pr、Ce、La等稀土元素?fù)诫s的GaN粉末,并通過與理論計(jì)算結(jié)果的對比研究其發(fā)光性能的變化。本文在介紹GaN材料和稀土元素性質(zhì)的基礎(chǔ)上,分析了制備GaN材料技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、影響性能的因素(雜質(zhì)和缺陷),選用氧化鎵為鎵源、稀土氧化物為雜質(zhì)源,檸檬酸為絡(luò)合劑,利用成本低、易操作、摻雜均勻的溶膠-凝膠技術(shù)制備出未摻雜和稀土摻雜的納米GaN粉體。利用X射線衍射、傅立葉紅外光譜、光致發(fā)光譜對所制備的粉體進(jìn)行微觀晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的表征,分析研究了各工藝條件對粉體質(zhì)量的影響、摻雜對能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。同時從理論上利用第一性原理的密度泛函理論,選用MS軟件分析研究了.更多還原【Abstract】 Comparing with Ge, Si, GaAs and GaP, 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 until 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.更多還原 【關(guān)鍵詞】 GaN納米材料； 溶膠-凝膠法； 稀土摻雜； 光學(xué)性質(zhì)； 【Key words】 GaN nano materials； Sol-Gel； rare earth doped； optical properties； 摘要 3-4 Abstract 4 引言 9-11 第一章 緒論 11-20 1.1 GaN的研究現(xiàn)狀 11-13 1.1.1 GaN薄膜的研究發(fā)展與現(xiàn)狀 11-12 1.1.2 GaN粉體的研究發(fā)展與現(xiàn)狀 12 1.1.3 GaN材料的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 12-13 1.2 GaN材料的制備 13-16 1.2.1 薄膜制備方法 13-15 1.2.1.1 分子束外延(MBE) 14 1.2.1.2 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD) 14 1.2.1.3 氫化物氣相外延(HVPE) 14-15 1.2.2 GaN粉體的制備 15-16 1.2.2.1 沉淀法 15 1.2.2.2 水熱法 15-16 1.2.2.3 微乳液法 16 1.3 溶膠-凝膠法(Sol-Gel) 16-18 1.3.1 溶膠-凝膠法的化學(xué)過程 17-18 1.3.2 溶膠-凝膠法的特點(diǎn) 18 1.4 本論文研究內(nèi)容 18-20 第二章 稀土摻雜GaN的基礎(chǔ)理論 20-24 2.1 GaN材料的相關(guān)性質(zhì) 20-21 2.1.1 GaN的基本結(jié)構(gòu) 20 2.1.2 GaN的相關(guān)性質(zhì) 20-21 2.2 稀土的性質(zhì) 21-22 2.2.1 稀土元素的性質(zhì) 21-22 2.2.2 稀土改性機(jī)理 22 2.3 稀土摻雜GaN的性質(zhì)分析 22-24 2.3.1 GaN的發(fā)光性質(zhì) 22-23 2.3.2 稀土摻雜GaN的發(fā)光性質(zhì) 23-24 第三章 GaN材料的第一性原理計(jì)算 24-35 3.1 從頭計(jì)算方法(ab initio) 24-25 3.2 密度泛函理論(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軟件介紹 26-28 3.3.1 CASTEP軟件的主要功能 26-27 3.3.2 CASTEP軟件的使用方法 27-28 3.4 本征GaN晶體材料的計(jì)算 28-31 3.5 稀土離子摻雜GaN材料的計(jì)算 31-34 3.6 本章小結(jié) 34-35 第四章 溶膠-凝膠法制備GaN粉體 35-52 4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及注意事項(xiàng) 35-37 4.2 樣品的制備 37-43 4.2.1 樣品制備方案 37-38 4.2.2 樣品表征方案 38-39 4.2.2.1 X射線衍射(XRD) 38 4.2.2.2 傅立葉紅外光譜分析(FTIR) 38-39 4.2.2.3 光致發(fā)光譜(PL) 39 4.2.3 材料制備過程 39-43 4.2.3.1 本征GaN粉體的制備 40-41 4.2.3.2 稀土摻雜GaN粉體的制備 41-43 4.3 樣品表征的結(jié)果與討論 43-51 4.3.1 預(yù)處理產(chǎn)物的分析 43 4.3.2 檸檬酸