关于氮化镓的晶体学.docx
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关于氮化镓的晶体学
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 = 3.186Å, c = 5.186Å
基矢：
Ga:
N:
基元坐标：
Ga:
000,1/32/31/3
N:
003/8,1/32/37/8
分别对应的Wykoff符号：
2a,3m,2a,2b。
2.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（Theobtainedmaterialwascrushedintofinepowdersandagainloadedintothefurnaceforannealingat1030℃for3hunderNH3gas.Oncethematerialreachedtheannealingtemperature,theBiequilibriumvaporpressurewassetat1200Pa,whichwas1000timeshigherthanthatofGa.Then,theBiwettingagentwasremovedfromtheGaNpowders.TheN2/NH3flowwas0.4L/minduringthisprocess）制得GaN粉末。
并做了该粉体的SEM和SAED表征。
表征图谱如下：
图4GaN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5GaN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6GaN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，半径围在30-40nm，长径比较大。
图7GaN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9GaN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725cm-1，相对于本体相的736cm-1峰位，出现了11cm-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]亚君氮化镓、氮化硅纳米材料的制备与表征大学硕士学位论文2010
[2]en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride
[3].cryst.ehu.es/
[4]介伟伟，春六方GaN空位缺陷的电子结构师大学学报2010
[5]郭宝增，锁良，鑫钎锌矿相GaN电子高场输运特性的MonteCarlo模拟研究物理学报2011
[6]栓庆第三代电子材料--氮化镓半导体情报1996
[7]波，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]XionghuiZeng，BaixiangHanparisonofmorphology,structureandopticalpropertiesofGaNpowderspreparedbyGa2O3nitridationandgalliumnitridation,JournalofCrystalGrowth,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
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