关于氮化镓的晶体学.doc

氮化镓晶体1. 晶体结构[1-3]空间结构：空间群：P63mc平衡晶格常数：a=3.186 ,c=5.186 基矢：Ga: N:基元坐标：Ga: 0 0 0,1/3 2/3 1/3 N: 0 0 3/8,1/3 2/3 7/8分别对应的Wykoff符号：2a,3m,2a,2b2.晶体结构缺陷介伟伟等人[4]研究了GaN本征点缺陷Ga、N的空位缺陷，模拟计算了五种模型（GaN、Ga0.875N、Ga0.750N、GaN0.875、GaN0.750）的能带结构、差分电子密度，电子态密度得到了两种空位缺陷对GaN性能的影响，结果如下：表1.五种类型晶格常数和禁带宽度由表1可知，四种缺陷GaN的带隙宽度比无缺陷的GaN的要大；晶格常数都发生了改变：a值随空位的种类以及浓度的变化不大，而c值随Ga空位浓度增加而增大，随N空位浓度增加而减少图1.五种模型（110）面差分电子密度分布N的负电性比Ga的强，图1a中可以看到Ga-N键的电子云集中在N原子附近，Ga-N键具有明显的离子性图1b、c中由于存在Ga空位，电子云更加分散，使键作用增强，晶格常数c增加，导带向高能方向移动，价带向低能方向移动，导致禁带宽度增加。

图1d、e中存在N空位，随着N空位浓度逐渐增加（a→d→e）,电子态密度下降，导致Ga-N的结合能减弱，价带向低能方向移动，导带也向低能方向移动，，但相对于价带的移动较小，且随着N 空位的增加导带又反向向高能方向移动得更多，所以随着N 空位的增加，GaN 的禁带宽度在不断地增加图2.态密度图谱图2（a）是理想GaN晶体的分态密度图，图2（b）是GaN、Ga0.875N、Ga0.750N的总态密度图谱，可以看出Ga0.875N、Ga0.750N与理想GaN的态密度峰值几乎出现在同样位置，而总太密度低于理想GaN的图2（c）中GaN0.875、GaN0.750态密度峰值出现位置与理想GaN相差很大，由于费米能级附近的电子态密度决定其电导率的大小，所以N缺陷对GaN的电导率影响较大综上所述，Ga、N的空位缺陷会使GaN晶格发生畸变，带隙变宽，从而影响其电学性能3.结构能带[5-7]元素原子的电子组态：Ga：1s22s22p63s23p63d104s24p1 N:1s22s22p3图3.纤锌矿GaN能带结构图由图3可知，GaN带隙比较窄，约为3-4ev左右（300K时禁带宽度为3.39ev），是典型的半导体材料。

但与Si的禁带宽度（1.12ev）相比较, GaN的带隙较宽，故可以用于高功率、高速的光电元件中GaN能带结构中导带底（导带的最小值）与满带顶（满带最大值）在处于K空间中的同一位置（Γ位置），说明GaN材料是直接带隙半导体，电子跃迁到导带产生导电的电子或空穴只需要吸收能量，不需改变动量Γ1和L-M在第一导带上，而Γ2分布在第二导带上室温下，电场强度为零时多数电子位于导带底（即Γ1能谷上），电场强度增加，电子获得能量，部分向高能态跃迁，跃迁到L-M能谷、Γ2能谷或更高的能量状态外加电场到达一定阈值时，满带中电子产生跃迁，从而形成电流4.显微结构[8]曾雄辉等人采用氨气氛围下加入Ga（The obtained material was crushed into fine powders and again loaded into the furnace forannealing at 1030 ℃ for 3 hunder NH3 gas .Once the material reached the annealing temperature, the Bi equilibrium vapor pressure was set at 1200 Pa,which was 1000 times higher than that of Ga . Then, the Bi wetting agent was removed from the GaN powders .The N2/NH3 flow was 0.4 L/min during this process）制得GaN粉末。

并做了该粉体的SEM和SAED表征表征图谱如下：图4 GaN粉体的SEM表征图图4是氮化镓晶体的扫描电镜显微图，可以看出晶粒是灰黑色层片状结构的，表面光滑平整，具有六角结构，平均晶粒尺寸大约为2μm图5 GaN粉体的SAED表征图从图5看出，各个方向上的晶格面之间的距离大约为0.276nm，晶格十分清晰规律， 从选区衍射花样来看，样品晶型很好比较规律综上所述，GaN粉体微观结构呈六角层片状，晶粒表面平整，晶格周期性排列，晶型比较规律5.低微纳米结构——GaN纳米线[9-10]吕伟等人利用化学气相沉积法、展洁等人利用配合物热分解法制备出氮化镓纳米线，表征结果如下：图6 GaN纳米线的SEM表征图图6（a）和（b）中看出，试样由大量的一维纳米线组成，成丝织状结构，纳米线长度大约为10μm，横截面为圆形，半径范围在30-40nm，长径比较大图7 GaN纳米线高分辨晶格像的IFFT像经测量，图7中（100）（010）（110）晶面间距均为0.269nm，与电子衍射图标定结果一致而且纳米线的晶格具有较好的周期性、完整性，没有缺陷，表面比较光滑图8 纳米线选区的电子衍射花样图8中衍射斑点排列整齐，是规则的平行四边形斑点，证明了GaN纳米线晶体结构是单晶。

图9 GaN纳米线的拉曼光谱图9中500-600nm波段出现是三个拟合峰位，分别在533、557、568cm-1处， A1LO模式的峰位对应725 cm-1，相对于本体相的736 cm-1峰位，出现了11 cm-1的红移出现红移的原因是因为材料的尺寸会影响拉曼散射综上，GaN纳米线为单晶体，具有较高的长径比（达数千），半径尺寸在纳米级，长度尺度在微米级纳米线晶格排列规则，表面光滑由于量子尺寸效应，导致拉曼散射中的A1LO模式出现红移 参考文献[1] 李亚君 氮化镓、氮化硅纳米材料的制备与表征 山东大学硕士学位论文2010[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride[3] http://www.cryst.ehu.es/[4] 介伟伟，杨春 六方GaN空位缺陷的电子结构 四川师范大学学报 2010[5] 郭宝增，张锁良，刘鑫 钎锌矿相GaN电子高场输运特性的Monte Carlo模拟研究 物理学报 2011[6] 李栓庆 第三代电子材料--氮化镓 半导体情报 1996[7] 张波，陈万军，邓小川等 氮化镓功率半导体器件技术 固体电子学研究与进展 2010[8] Xionghui Zeng，Baixiang Han Comparison of morphology ,structure and optical properties of GaN powders prepared by Ga2O3 nitridation and gallium nitridation, Journal of Crystal Growth, 2013[9] 吕伟，吴莉莉，邹科等 氮化镓低微纳米结构的制备与表征 山东大学学报 2007[10] 展洁，郝霄鹏，吴拥中等 配合物热分解制备氮化镓纳米线及其生长机理研究 功能材料 2005。