利用导电原子力显微镜技术研究了单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能.首先使用化学气相沉积法制备出结晶性良好的GaN纳米带,然后将GaN纳米带分散到高定向热解石墨基底上,利用探针作为微电极构成基于单根GaN纳米带的两端结构压电器件.通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能,对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究.研究发现,在有光条件下单根GaN纳米带整流开关比明显增大,随着加载力的增大,单根GaN纳米带电流响应值增大但整流特性减弱.最后,基于压电电子学和光电导效应理论,通过分析肖特基势垒在加载力及光照作用下的变化规律解释了实验现象.
关键词：GaN纳米带,压电效应,光电导效应,力电耦合
1引 言
氮化镓(GaN)半导体材料具有宽禁带、高热导率、高迁移率、高热稳定性、耐腐蚀及抗辐照等优良特性,能够在高温、高电压和高辐射等恶劣条件下工作,是一种重要的微电子器件、光电子器件、压电电子器件以及微纳机电器件材料[1−4].GaN纳米材料具有独特的压电、光电和半导体特性,如准一维结构的GaN纳米薄膜、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米片及准零维结构的GaN量子点等,在高迁移率晶体管、光电探测器、发光二极管、压力传感器、纳米发电机、阻变存储器及量子计算机等领域的应用潜力已经被高度关注[5−16].
GaN纳米材料的力电、光电及光力电耦合特性是目前学术界和产业界的研究热点.Yu等[17]对GaN纳米带输运性质的压电调控及原理型器件进行研究,实现了GaN纳米带器件肖特基势垒高度的高可靠性调制,拓展了GaN纳米带在柔性电子领域的应用;另外,该研究组制备了基于GaN纳米带的应变栅压电晶体管,并且基于压电晶体管构筑了逻辑门器件,实现了力电耦合压电逻辑运算[18].Peng等[19]利用GaN纳米薄膜的压电和光电特性,制备了基于柔性GaN薄膜的自驱动紫外光电开关,该器件可在无供电条件下长期工作,为柔性可穿戴光机电一体化系统研究提供思路.Wang等[20]研究了GaN纳米带压电光电子特性的温度效应,研究发现低温环境下GaN纳米带压电、光电特性产生竞争关系.Du等[21]提出了基于InGaN/GaN多量子阱纳米柱的压电光电效应调控可见光通信系统,其中信息通过机械应变编码,该工作提供了一种在复杂环境下进行非接触式可靠通信的方法.Liu等[22]制备了基于GaN纳米线的压电忆阻器,利用压电效应调控忆阻器的阻变性能.Lin等[23]制备了基于石墨烯/GaN异质结的多波长光电探测器,可以实现对紫外光和可见光的有效探测.
导电原子力显微镜技术(conductiveatomicforcemicroscopy,C-AFM)是研究低维纳米结构半导体材料的有效手段.Zhao等[24]使用C-AFM研究了GaN纳米线的力电耦合特性;Wang等[25]使用C-AFM研究了单根SnO2纳米带的电流输运性质;Yang等[26]利用C-AFM研究了单根ZnO纳米线的力电耦合损伤行为;Zhang等[27]使用C-AFM直接证实了物理吸附的二维材料-金属/半导体界面的电导率是由局部的电荷转移决定的猜想.本课题组利用C-AFM对GaN纳米带的压电特性及力电耦合性能进行了研究[28,29].
GaN纳米带由于其独特的大高宽比结构特点以及良好的压电性能,易于集成和组装成平面结构的力电耦合器件[18].然而目前针对GaN纳米带基压电器件的光调控研究还相对较少,光力电耦合特性机制还不清晰,限制了GaN纳米带压电器件在光写入、光擦除、光探测等领域的应用.本文首先使用化学气相沉积法(chemicalvapordeposition,CVD)制备出结晶性良好的GaN纳米带,然后将GaN纳米带分散到高定向热解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite,HOPG)基底上,利用C-AFM探针作为微电极构成基于单根GaN纳米带的两端压电器件.通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能,对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究.
2实验设计
2.1GaN纳米带制备与表征
通过CVD方法进行GaN纳米带的制备,具体工艺过程:1)称取0.1172gGaN/Ga2O3混合粉末作为镓源装入石英舟中,将镀有催化剂的衬底表面朝上放置在镓源下游大约10cm处;2)将石英管放入管式炉中,接通一端通气管,放置衬底和石英舟,再将石英管另一端接通;3)打开真空泵进行抽真空和真空度测试,抽完真空后将气体流量控制器打开,将氨气流量设为30sccm/min,氩气流量设为20sccm/min;4)将温度设置为1100℃,升温速率设为30℃/min,保温时间定为30min;5)在通气15min后开始运行温度程序,待温度上升到实验预定值时关闭氩气阀门只通入氨气进行降温,当温度降到900℃后关闭氨气并通入氩气等待其自然冷却至室温;6)关闭气体流量控制器及真空泵,在取出来的衬底上可以获得CVD法生长的GaN纳米带[28,29].随后使用X射线衍射仪(X-raydiffraction,XRD,UltimaIV,Japan)和场发射扫描电镜(fieldemissionscanningelectronmicroscope,FE-SEM,HitachiSU5000,Japan)对CVD制备的GaN纳米带物相和微观形貌进行表征.
2.2单根GaN纳米带器件构筑
从基片上获取少量GaN纳米带粉末置入盛有丙酮溶液的烧杯,进行20min的超声分散.超声分散结束后用滴管取出适量的GaN纳米带悬浮液滴于HOPG基底上,然后将HOPG基底放入真空干燥箱内干燥,干燥温度为120℃,干燥时间为30min.利用原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM,CypherS,AR,USA)对HOPG基底上的GaN纳米带进行形貌及电学性能表征,其中以导电探针(针尖涂层材料为Ti/Ir金属薄膜)作为顶电极,HOPG基底作为底电极,构成基于单根GaN纳米带的两端压电器件,装置示意图如图1所示.GaN纳米材料在紫外(250nm)至可见光(600nm)光源照射下均有光电流响应[23,30,31],本文选择波长为450nm的激光作为光源,光束经传导光纤和聚光镜照射至探针针尖区域,通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能.Ti/Ir探针和HOPG的功函数分别为5.5eV和4.6eV,GaN电子亲和势为4.2eV,单根GaN纳米带与探针和HOPG基底之间均形成肖特基接触[32],所以可通过加载力及外加光源对器件肖特基势垒高度进行调节,进而对单根GaN纳米带的光力电耦合性能进行调控.
3实验结果与分析
3.1GaN纳米带的形貌与微结构表征
图2(a)为GaN纳米带粉末的XRD图谱,可以看出在2q为32.4°,34.6°和36.9°时出现分别对应六方纤锌矿GaN(100),(002),(101)面的3个主要晶面衍射峰,与报道的体块材纤锌矿GaN相一致[14,28,29,32].XRD图谱衍射峰锐利,表明制备的GaN结晶性比较好.图2(b)为GaN纳米带粉末SEM图像,可以看出所制备的GaN纳米材料呈现较好的带状分布,宽度分布约在0.1—1.0µm之间.基于图1所示的测试装置图,使用AFM在接触模式下扫描得到了单根GaN纳米带的二维及三维形貌图,如图2(c),(d)所示.可以看出,单根GaN纳米带的宽度约为1µm,高度约为70nm,呈现出典型的带状形态.
3.2单根GaN纳米带力电性能的光调控
通过测量标准蓝宝石基底上的力曲线校准导电探针针尖弹性系数及悬臂的偏转灵敏度,施加在GaN纳米带上的加载力可以通过改变偏转电压进行调节.在HOPG基底上施加4V的直流电压,在接触模式下使用C-AFM对单根GaN纳米带进行面扫并同时记录电流值,得到如图3所示的不同加载力下(30,50,70nN)的单根GaN纳米带二维电流形貌图.其中图3(a)—(c)为暗场下的电流形貌图,明暗程度代表电流值的高低,插图为电流形貌图截面处的电流值.可以看到随着加载力的增大,单根GaN纳米带的电流响应值逐渐增加,主要原因是GaN纳米带具有良好的压电特性,在探针加载力的作用下产生面外压电电场,有效降低了导电探针与GaN纳米带之间的肖特基势垒.选择波长为450nm的激光作为光源,光束经传导光纤和聚光镜照射至探针针尖区域,然后通过CAFM面扫得到如图3(d)—(f)所示光场下的GaN纳米带电流形貌图.与暗场结果类似,单根GaN纳米带的电流响应值随加载力增加而增大,且在相同加载力作用下,光场下的GaN纳米带电流响应值更大.GaN纳米带具有光电特性,光场下GaN纳米带表面所产生的光生载流子在提高其电导率的同时还进一步降低了GaN纳米带与导电探针之间的肖特基势垒,两者共同作用使得相同加载力作用下GaN纳米带获得更大的电流响应值.
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