Nonequilibrium plasma aerotaxy of size controlled GaN nanocrystals
Nonequilibrium plasma aerotaxy of size controlled GaN nanocrystals
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尺寸控制的 GaN 纳米晶的非平衡等离子体气走
DOI：
10.1088/1361-6463/ab59e6
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发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Thimsen, Elijah
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Uner, Necip B;Thimsen, Elijah
高质量的氮化镓(GaN)纳米晶材料在光电子学、光子学和生物医学器件等领域具有广阔的应用前景。与II-VI半导体不同的是，独立GaN NCS的合成还不成熟，需要一种能够提供尺寸和光子性质可调的GaN NCS的合成平台。在这项工作中，我们提出了一种灵活的气相合成方法，可以制备尺寸可控、尺寸分布窄的结晶型、独立的、纯的GaN NCS。这种方法被称为非平衡等离子体气浮(NPA)，它使用镓和氮气的气溶胶作为前体。这个术语是指在没有支撑的表面上生长，在这种情况下是由非平衡等离子体推动的。窄尺寸分布的关键是NPA机理是基于表面生长，而不是导致宽尺寸分布的凝聚机理。NPA过程在10-100ms的停留时间内将Ga气溶胶转化为GaN NCS。其机理包括源Ga气溶胶的非热汽化，随后是成核和与等离子体中激发的氮物种的反应。粒子可以制成中空的或固体的。固体纳米管具有光致发光性质。大尺寸的NCS在体带隙转变附近的峰值波长发射光子。将尺寸调整到小于7 nm的平均直径导致了蓝移的光致发光。利用超音速冲击沉积的方法将这些裸露的GaN纳米碳管在线加工成多孔薄膜。除了GaN的具体例子，NPA机制是通用的，可以扩展到许多其他二元、三元或掺杂半导体。
High quality gallium nitride (GaN) nanocrystals (NCs) are promising materials in a wide range of applications including optoelectronics, photonics and biomedical devices. Unlike II–VI semiconductors, the synthesis of free-standing GaN NCs is not well-established, and there is a need for a synthesis platform that can provide GaN NCs with tunable size and photonic properties. In this work, we present a flexible gas-phase synthesis method that can deliver crystalline, free-standing, pure GaN NCs with controlled size and narrow size distributions. The method, termed nonequilibrium plasma aerotaxy (NPA), employs an aerosol of Ga and gaseous N 2 as the precursors. The term aerotaxy means growth on an unsupported surface, in this case promoted by a nonequilibrium plasma. The key to narrow size distributions is that the NPA mechanism is based upon surface growth, as opposed to coagulation mechanisms that result in broad size distributions. The NPA process converts the Ga aerosol into GaN NCs within 10–100 ms of residence time. The mechanism involves non-thermal vaporization of the source Ga aerosol, which is followed by nucleation and reaction with the excited N 2 species in the plasma. Particles can be made to be either hollow or solid. Solid NCs were found to be photoluminescent. Large NCs emitted photons at a peak wavelength near the bulk band-gap transition. Tuning the size to be smaller than 7 nm average diameter led to a blue-shifted photoluminescence. Inline processing of these bare GaN NCs into porous films by supersonic impact deposition is demonstrated. Moving beyond the specific example of GaN, the NPA mechanism is general and can be extended to many other binary, ternary or doped semiconductors.
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