Nanotrubice s nitridem gália - Gallium nitride nanotube - Wikipedia

Cikcak a křeslo GaN nanotrubice

Nanotrubičky nitridu gália (GaNNT) jsou nanotrubice z nitrid gália. Mohou být pěstovány chemická depozice par (průměry 30–250 nm).[1][2][3]

Dějiny

Monokrystal nitrid gália nanotrubice byly poprvé hlášeny jako syntetizovány Peidong Yang a jeho výzkumný tým na katedře chemie University of Berkeley dne 10. dubna 2003.[3] Syntézy bylo dosaženo původně vytvořením nanodráty z čistých krystalů oxid zinečnatý na a safírová destička prostřednictvím procesu, který Yang a jeho kolegové dříve vytvořili, se nazývá epitaxní lití. Tyto nanodráty z oxidu zinečnatého byly poté použity jako šablony, na kterých byly pěstovány krystaly nitridu galia chemická depozice par.[3] Jakmile se vytvořily krystaly nitridu gália, na teplo se působilo safírová destička aby se umožnilo odpařování jader nanodrátů oxidu zinečnatého. To zanechalo po sobě duté nanotrubičky z nitridu galia, protože nitrid galia je ve srovnání s oxidem zinečnatým mnohem tepelně stabilnějším materiálem. Výsledné nanotrubičky nitridu gália byly jednotné v délkách 2-5 μm a průměru 30-200 nm.[3]

Struktura a vlastnosti nanotrubiček na bázi nitridu galia

Obecný tvar a velikost

GaNNT jsou formou jednorozměrného materiálu analogického s mnohem populárněji známým Uhlíkové nanotrubice. Experimentální a teoretická analýza GaNNT ukázala, že tyto nanotrubice mohou být konstruovány s průměrem 30-250 nm a tloušťkou stěny 5-100 nm.[3][2] GaNNT se také liší podle toho, jak jsou trubky „válcovány“. Válce jsou kategorizovány podle toho, jak se ohýbá molekulární struktura, a pomocí formátu (n, m) určují, jak byla trubka ohnuta do tvaru. Dvě nejběžnější formace jsou cik-cak, který má ohyb (n, 0), a křeslo, které má ohyb (n, n). Jak velikost nanotrubiček, tak válcování nanotrubice hrají roli ve vlastnostech jakéhokoli daného GaNNT.

Strukturální vlastnosti GaNNT začínají mřížková konstanta, c, jednotkové buňky GaNNT. Mřížková konstanta je závislá na délka vazby atomů. Pro tvar cik-cak c = 3 - (délka vazby), zatímco pro tvar křesla c = √3 - (délka vazby). Teoretické vyhodnocení určilo, že optimální délky vazby jsou 1,92 angstromů a 1,88 angstromů pro nanotrubičky pro cik-cak a křesla. Tato geometrie trubice zůstává stabilní ve velmi širokém teplotním rozsahu, těsně nad 0K až 800K.[3]

Struktura pásma

The mezera v pásmu GaNNT závisí jak na válcování, tak na velikosti konkrétní nanotrubice. Bylo zjištěno, že cik-cak GaNNT by měl přímou mezeru v pásmu, zatímco křeslo GaNNT by mělo nepřímou mezeru v pásmu. Mezera pásma se navíc zvyšuje s rostoucím poloměrem. Zatímco u cikcak GaNNT by se pásová mezera významně zvětšila, u křesla GaNNT by se její pásová mezera zvětšila jen mírně. Prázdné místo dusíku ve struktuře, které, i když je energeticky nepříznivé, je pravděpodobnější než volné místo gália, má za následek pásmo závislé na spinových stavech elektronů. Pás pro rotaci elektronů vytváří nenaplněný pás nad Fermiho úroveň a zvětšuje pásmovou mezeru, zatímco pásmo pro roztočení elektronů vytváří naplněný pás pod úrovní Fermiho a zmenšuje pásmovou mezeru. Toto rozdělení pásma závislé na rotaci činí GaNNT potenciálním kandidátem spintronic výpočetní systémy.[2]

Mechanické

Mechanické vlastnosti GaNNT jsou ovlivňovány válcováním nanotrubiček, i když není jasné, zda hraje roli i velikost nanotrubiček. The Youngův modul bylo vypočítáno na 793 GPa pro nanotrubičku (5,5) křesla, zatímco pro (9,0) klikatou nanotrubičku bylo vypočítáno 721 GPa. U (5,5) křesla a (9,0) nanotrubiček zahrnují další vypočítané hodnoty maximum pevnost v tahu byla 4,25 a 3,43 eV / Angstrom, kritické napětí bylo 14,6% a 13,3%, a Poissonův poměr byla 0,263, respektive 0,221. Předpokládá se, že vlastnosti jakékoli mezi (n, m) nanotrubice mezi nimi by měly vlastnost někde v těchto rozsazích.[4]

Mechanické vlastnosti jsou také ovlivněny teplotou materiálu a rychlostí deformace, pod kterou je nanotrubice vystavena. Co se týče teploty, pevnost v tahu GaNNT klesá při vyšší teplotě. Při vyšších teplotách má více molekul dostatek energie k překonání bariéry aktivační energie, což má za následek deformaci u nižších kmenů. Rychlost deformace materiálu způsobuje, že při nižší rychlosti deformace dochází ke snížení pevnosti v tahu. To je způsobeno tím, že materiál není po celou dobu pod stálým napětím, což má za následek, že některá místa v materiálu mají vyšší napětí než jiná místa. Pomalejší rychlost deformace umožňuje GaNNT více času vyvolat adekvátní lokální deformace, a proto k plastické deformaci dochází dříve. To znamená, že pomalejší rychlost deformace má za následek nižší pevnost v tahu.[4]

Syntéza

Šestiúhelníkové nanotrubičky nitridu galia (h-GaN)

Nanotrubice nitridu gália (GaN) se primárně vytvářejí jedním ze dvou způsobů: pomocí metody zaměřené na templát nebo růstu páry-pevné látky (VS).

Metoda zaměřená na šablony

Metoda šablony používá hexagonální oxid zinečnatý (ZnO) nanodrát jako šablony. Použitím chemická depozice par, na šablony se ukládají tenké vrstvy GaN, které vytvářejí odlitek z epitaxní růst. Šablony nanodrátů ZnO se poté odstraní tepelnou redukcí a odpařením. Analýza pomocí transmisní elektronová mikroskopie (TEM) ukazuje, že zbytek ZnO spolu s tenkým filmem porézního GaN se po odstranění templátů stále nachází v horní části nanotrubiček. Je to důsledek toho, že zinek a kyslík odcházely z templátu porézní vrstvou GaN v počátečních fázích formování nanotrubice. Tato metoda produkovala nanotrubice h-GaN, které měly primárně jeden otevřený a jeden uzavřený konec, ačkoli byly také nalezeny zkumavky s otevřenými oběma konci. Použitím energeticky disperzní rentgenová spektroskopie (EDS), bylo pozorováno, že nanotrubice mají poměr intenzity 1: 1 v galiu a dusíku. Nanotrubice měly stěny silné mezi 5–50 nm a vnitřní průměry o délkách mezi 30–200 nm.[5]

Růst pevné látky

Nanorourky GaN lze vyrobit bez šablony. Dalším způsobem, jak vyrobit nanotrubice h-GaN, je dvoustupňový proces, který převádí Oxid gália (III) (Ga2Ó3) nanotrubice na nanotrubice h- GaN. Tato metoda produkuje menší odchylky ve velikosti a tvaru vyráběných nanotrubiček. Vyrobené nanotrubice mají délku přibližně 10 nm a jednotný vnější průměr přibližně 80 nm a tloušťku stěny přibližně 20 nm. Tato metoda poskytuje 4,0 - 5,0% produktů, což je založeno na množství Ga2Ó3 je přítomen.[5]

Nanotrubice z nitridu kubického gália (c-GaN)

Pomocí Ga2Ó3 prášky a amoniak (NH3), nanotrubice c-GaN lze také syntetizovat bez použití templátu v procesu páry-tuhá látka. Místo toho se používá vysokoteplotní proces bez katalyzátoru, který vyžaduje určité podmínky. Jednou z těchto podmínek bylo vysoké teplo. Růst nanotrubiček pro nanotrubice c-GaN byl proveden při teplotě okolo 1600 stupňů Celsia (o 200 stupňů vyšší, než jsou podmínky potřebné pro pěstování nanotrubiček h-GaN) a během procesu se neustále zvyšoval. Další podmínka vyžadovala, aby průtoky NH3 a N2 být zvýšena během dvoustupňové chemické reakce potřebné k výrobě nanotrubiček.[6]

První krok vyžadoval uhlík z grafitového kelímku, který reagoval s Ga2Ó3 produkovat Ga2Ó páře. Pára poté reaguje s NH3 k výrobě pevných nanočástic GaN, které jsou zachyceny v NH3 a N2 tok. Nanočástice jsou poté transportovány do nízkoteplotní indukční pece, kde se budou hromadit ve skupinách na uhlíkových vláknech a samy sestavovat obdélníkové nanotrubice růstem páry-pevné látky. Většina vytvořených nanotrubiček má čtvercový nebo obdélníkový průřez o délkách mezi 50 až 150 nm. Bylo zjištěno, že zkumavky mají tloušťku stěny mezi 20 až 50 nm a delší délky několika mikrometrů.[6]

Před uplatněním této metody byly nanokrystaly c-GaN jedinými nanostrukturami, které lze syntetizovat v kubické struktuře GaN.[6]

Nedávný pokrok

Výroba ve velkém měřítku

M. Jansen a kol. vyvinula nízkonákladový, rychlý a rozsáhlý výrobní proces pro generování nanotrubiček na bázi nitridu galia. Toho bylo dosaženo použitím kombinace litografie a indukčně vázaná plazma vzhůru nohama leptání k výrobě tvrdé leptané masky a křemík pole nano kruhů.[7] Pole nanokroužků bylo poté umístěno na povrch objemového nitridu galia a leptané pryč a produkovat struktury nanotrubiček stejných rozměrů.[7]

Integrace mikročipů

Chu-Ho Lee a jeho výzkumná skupina v Soulská národní univerzita v Korea byli schopni syntetizovat indium dopované nanotrubice nitridu galia, na které se vyráběly křemík substráty. Skupina použila tyto nanotrubice jako světlo emitující diody, které primárně emitovaly světlo v zeleném viditelném spektru.[8] Vzhledem k tomu, že syntéza těchto nanotrubiček závisí na kontrolovatelných geometrických parametrech, mohly by nanotrubky s nitridem gália potenciálně umožnit způsoby výroby mikročipů s vyšší rychlostí zpracování pomocí mezičipové a intračipové optické komunikace.[8]

Tvar trubice a tvar vyzařovaného světla

Changyi Li a jeho výzkumný tým v University of New Mexico nedávno ukázal, že změnou geometrie otvorů na nanotrubičkách nitridu galia se mění tvar emitovaného světla, když působí jako diody vyzařující světlo.[9] Skupina použila elektronový paprsek litografie k vytvoření dobře definovaných prstencových dutých oblastí v nanotrubičkách nitridu galia, což nakonec vedlo k vyzařovanému prstencovému tvaru.[9]

Reference

  1. ^ Nitrid gália vytváří nový druh nanotrubiček. lbl.gov (12. 5. 2003). Citováno 2017-03-29.
  2. ^ A b C Moradian, Rostam; et al. (Září 2008). "Struktura a elektronické vlastnosti nativních a defektních nanotrubiček na bázi nitridu gália". Fyzikální písmena A. 372 (46): 6935–6939. doi:10.1016 / j.physleta.2008.09.044.
  3. ^ A b C d E F Goldberger, J; Její; Zhang, Y; Lee, S; Yan, H; Choi, H. J .; Yang, P (2003). "Jednokrystalické nanotrubičky nitridu gália". Příroda. 422 (6932): 599–602. doi:10.1038 / nature01551. PMID  12686996.
  4. ^ A b Jeng, Yeau-Ren; et al. (Duben 2004). "Molekulární dynamika Výzkum mechanických vlastností nanotrubiček nitridu galia pod napětím a únavou". Nanotechnologie. 15 (12): 1737–1744. doi:10.1088/0957-4484/15/12/006.
  5. ^ A b Sun, Yangang (2009). „Potenciální důležité polovodičové nanotrubice: syntéza, vlastnosti a aplikace“. Journal of Materials Chemistry. 19 (41): 7592–7605. doi:10.1039 / b900521h. Citováno 29. listopadu 2017.
  6. ^ A b C Hu, Junging (2004). "Růst jednokrystalických krychlových nanotrubic GaN s obdélníkovými průřezy". Pokročilé materiály. 16 (16): 1465–1468. doi:10.1002 / adma.200400016.
  7. ^ A b Coulon, P. (2017). "Optické vlastnosti a rezonanční režimy dutin v axiálních mikroskopických dutinách InGaN / GaN". Optika Express. 25 (23): 28246–28257. doi:10.1364 / OE.25.028246. Citováno 29. listopadu 2017.
  8. ^ A b Hong, Young (9. prosince 2015). „Emisní barevně vyladěné světlo emitující diodové mikročipy nepolárních multishell nanostrubic heterostruktur InxGa1 – xN / GaN“. Vědecké zprávy. 5: 18020. doi:10.1038 / srep18020. PMC  4673456. PMID  26648564.
  9. ^ A b Li, Changyi (13. července 2015). „Emise ve tvaru prstence z nanotrubičkových laserů na bázi nitridu galia (PDF). ACS Photonics. 8 (2): 1025–1029. doi:10.1021 / acsphotonics.5b00039.