研究目的
为了将化学气相沉积石墨烯上生长的氮化镓纳米线的光学特性与常规衬底上生长的进行基准测试,并探究生长温度和石墨烯微区对形貌及光学特性的影响。
研究成果
在化学气相沉积石墨烯上生长的氮化镓纳米线展现出与传统衬底相当的光学特性,主要表现为施主束缚激子发射且无反型畴界缺陷。815°C的最优生长温度确保了高密度和选择性。更高温度会降低生长密度并因直径减小及介电限域效应导致光谱蓝移。石墨烯微区可形成具有窄发光线宽(低至0.28 meV)的中空六边形图案,适用于光电器件应用。未来工作可聚焦于提升成核效率及探索器件集成方案。
研究不足
石墨烯上选择性生长的温度窗口较窄(815±5°C),限制了工艺控制。石墨烯上成核的漫长孕育期可能影响可扩展性。拉曼光谱的空间分辨率可能无法完全解析石墨烯畴的阶梯状结构。已注意到氮等离子体对石墨烯的潜在损伤,但尚未完全量化。
1:实验设计与方法选择:
采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)技术在多种衬底(包括AlN/Si(111)、SiN/Si(111)、SiO2/Si(100)和石墨烯/SiO2/Si(100))上生长GaN纳米线。针对不同衬底优化生长温度与V/III比以获得相似形貌。通过低温(5-10K)稳态与瞬态光致发光(PL)测量分析光学特性。
2:1)、SiN/Si(111)、SiO2/Si(100)和石墨烯/SiO2/Si(100))上生长GaN纳米线。针对不同衬底优化生长温度与V/III比以获得相似形貌。通过低温(5-10K)稳态与瞬态光致发光(PL)测量分析光学特性。 样品选择与数据来源:
2. 样品选择与数据来源:衬底经过特定处理(如AlN缓冲层沉积、硅氮化处理、SiO2干氧氧化)。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助法将石墨烯转移至SiO2/Si衬底。
3:实验设备与材料清单:
设备包含配备射频等离子体氮源的RIBER Compact 12 MBE系统、光学高温计、反射高能电子衍射仪(RHEED)、扫描电子显微镜(SEM)、显微光致发光(μPL)系统(配备244nm Ar++激光器、325nm激光器、266nm三倍频钛宝石激光器)、光栅光谱仪(1200/2400/1800线/mm)、电荷耦合器件(CCD)探测器、条纹相机及拉曼光谱仪(inVia显微拉曼光谱仪,532nm激光)。材料包括GaN、石墨烯、SiO2、Si、AlN、PMMA、丙酮、异丙醇及刻蚀转移用化学品。
4:Si、AlN、PMMA、丙酮、异丙醇及刻蚀转移用化学品。 实验流程与操作规范:
4. 实验流程与操作规范:衬底制备后装入MBE反应腔,根据衬底类型设定生长参数(温度、V/III比、时间)。生长后通过SEM表征形貌,μPL分析稳态发光,瞬态PL研究动力学过程,拉曼光谱评估石墨烯质量。具体操作包含:使用RHEED进行温度校准,0.57sccm氮气流量与400W射频功率运行等离子体,采用不同波长/功率激光激发。
5:57sccm氮气流量与400W射频功率运行等离子体,采用不同波长/功率激光激发。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:通过指数拟合分析PL光谱的峰位、半高宽(FWHM)及衰减时间;基于SEM图像统计纳米线直径;利用拉曼光谱确认石墨烯层数与质量。
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MBE system
RIBER Compact 12
RIBER
Used for growing GaN nanowires by plasma-assisted molecular beam epitaxy.
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SEM
Not specified
Not specified
Used for imaging the morphology of nanowires.
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Laser
244 nm Ar++ laser
Not specified
Used for excitation in steady-state μPL measurements.
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Laser
325 nm laser
Not specified
Used for excitation in high-resolution μPL setup.
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Laser
Ti-sapphire laser with third harmonic generation
Not specified
Used for excitation in time-resolved PL measurements.
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Spectrometer
Not specified
Not specified
Used for dispersing PL signals.
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CCD
LN2-cooled silicon charge-coupled device
Not specified
Used for collecting PL signals.
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Streak camera
Not specified
Not specified
Used for time-resolved PL measurements.
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Raman spectrometer
inVia Micro Raman spectrometer
Not specified
Used for Raman spectroscopy to analyze graphene.
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Cryostat
Continuous flow He cryostat
Not specified
Used for cooling samples during PL measurements.
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Graphene
CVD-graphene on Cu foils
Graphenea
Used as a substrate for nanowire growth.
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