宽禁带半导体氧化镓晶体和器件研究进展

β-Ga2O3作为新型宽禁带半导体材料,近年来受到了人们的广泛关注。β-Ga2O3禁带宽度可达4. 7 e V,相比于第三代半导体SiC和Ga N,具有禁带宽度更大、击穿场强更高、Baliga品质因子更大、吸收截止边更短、生长成本更低的优点,有望成为高压、大功率、低损耗功率器件和深紫外光电子器件的优选材料。此外,β-Ga2O3单晶可以通过熔体法生长,材料制备成本相对较低,有利于大规模应用。重点介绍了β-Ga2O3单晶的生长及工艺优化,然后对晶体加工、性能表征、光电探测及功率器件应用等方面进行了讨论,并展望了β-Ga2O3晶体未来的发展方向。     

β-Ga2O3及Cr掺杂β-Ga2O3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构.理论计算结果表明:单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下的晶格常数和带隙与实验值基本相符,其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近;β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定,但带隙比α-Ga2O3略小;Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小,费米能级处的态密度不为零,即变为半金属.     

棒状氧化镓的合成和发光性质研究

利用射频磁控溅射法在Si(111)衬底上先溅射Mo中间层,再溅射Ga2O3薄膜,然后在氨气中退火合成了大量的一维棒状β-Ga2O3.X射线衍射、选区电子衍射和能量弥散谱的分析结果表明,制备的样品为β-Ga2O3.利用扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜观察发现,合成的棒具有直而光滑的表面,其直径在70～200nm左右.室温光致发光谱显示出两个较强的蓝光发射.另外,简单讨论棒状β-Ga2O3的生长机制.     

Mg单原子替位掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性质计算研究

宽禁带半导体β-Ga2O3因其出色的物理化学性能而备受关注,通过掺杂改善β-Ga2O3性能一直是研究的热点.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,利用广义梯度近似加U对Mg单原子掺杂β-Ga2O3体系的晶体结构、电子结构和光学性质等进行了研究和分析.总能量和结合能的对比显示:单原子替位掺杂β-Ga2O3时,Mg优先替代八面体位的Ga原子形成Mg-Gao体系.电子结构显示,Mg-Gao体系变为间接半导体,带隙变窄为4.672eV;其自旋极化率为100％,呈现半金属特性.作为光学材料,Mg-Gao体系可在紫外、深紫外区域工作,并且折射率、反射率和吸收率有所降低,透射率明显提高.     

用第一性原理研究Ti掺杂β-Ga_2O_3的电子结构和光学性能(英文)

用GGA+U的方法研究了本征β-Ga2O3和Ti掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性能。晶格常数的计算值与实验值差别小于1%,本征β-Ga2O3的带隙计算值4.915eV,与实验值4.9eV一致。Ti替位Ga(1)位置和Ti替位Ga(2)位置的β-Ga2O3的价带最大值和导带最小值间隙分别为4.992eV和4.955eV,Ti掺杂引入的杂质带起到中间带作用,可以使电子从杂质带跃迁到导带和价带跃迁到杂质带。Ti掺杂β-Ga2O3中间带的存在使其成为潜在的宽光谱吸收太阳能电池材料。     

β-Ga2O3及Cr掺杂β—Ga2O3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构。理论计算结果表明：单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）下的晶格常数和带隙与实验值基本相符，其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近；β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定，但带隙比α—Ga2O3略小；Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小，费米能级处的态密度不为零，即变为半金属。     

掺杂稀土Tb的β-Ga2O3纳米纤维的结构及其光致发光研究

采用电纺丝法制备了铽(Tb)掺杂的氧化镓(Ga2O3)纳米纤维,并用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和光致发光谱(PL)对其进行了一系列的表征.结果表明,900℃退火的纳米纤维尺寸约为100nm,晶体结构是β相的Ga2O3,Tb离子5D4-7F5跃迁对应的550nm绿光发射最强.在稀土掺杂的纳米纤维的光致发光谱中没有发现β-Ga2O3缺陷能级的发光,用能量传递理论解释了这一现象.     

LMBE法异质外延β-Ga_2O_3薄膜及其紫外和发光特性的研究

采用激光分子束外延法在蓝宝石衬底上异质外延β-Ga2O3薄膜。研究了氧分压对薄膜表面结构和结晶程度的影响,结果表明β-Ga2O3薄膜的均方根粗糙度和X射线衍射谱峰的半高宽随着氧分压的减小呈现先减小后增大的趋势。并对氧分压为10-2 Pa条件下的薄膜进行了光致发光谱、紫外透射谱、禁带宽度变化和拉曼谱的研究,结果显示β-Ga2O3薄膜的带隙随氧分压的减小而不断增大,β-Ga2O3薄膜具有蓝光发光和深紫外高透射特性,是用于光电器件特别是紫外特性氧敏传感器的最佳材料之一。     

Er3+:LiYF4单晶生长与光谱特性

采用坩埚下降法在非真空密闭条件下生长出尺寸为φ9mm×68mm的1mol%Er3+:LiYF4单晶材料,测试了样品的折射率、透过光谱、吸收光谱、以及在980nm和792nm激光泵浦下的近红外和中红外荧光光谱.应用Judd-Ofelt理论计算了Er3+离子在LiYF4晶体材料中的强度参数(Ωt,t=2,4,6)、能级跃迁振子强度(fcal)、自发辐射跃迁几率(A)、荧光分支比(β)、辐射寿命(τrad)等光谱参数,讨论了其近红外和中红外的荧光特性.结果表明,在980nm和792nm激光泵浦下观察到了1.5μm近红外荧光和3.0μm中红外荧光,分别对应于Er3+:4I13/2→4I15/2和4I11/2→4I13/2跃迁,并分析了3.0μm中红外荧光强度较弱的可能原因.     

氮化镓粉末的合成及其结构性质的研究

在950℃氮化温度下,通过β-Ga2O3粉末与流动的NH3反应35min制备出GaN粉末.XRD、XPS、FTIR、TEM的测量结果表明GaN粉末是六角纤锌矿结构的单晶晶粒,其晶格常数a=0.3191nm,c=0.5192nm;在粉末表面,Ga和N两种元素比约为11;GaN晶粒的形状为棒状.     

一种新型钇(Ⅲ)希夫碱配合物的合成、晶体结构及荧光性质

以水杨醛苯甲酰腙为配体(H2L),采用溶剂热法,合成了钇(Ⅲ)配合物Y4(HL)8O2·8(H2O)。通过红外光谱、热重分析、元素分析、紫外及荧光光谱对其进行了表征,并用X-单晶衍射测定了钇(Ⅲ)配合物的结构。其结构以四个对称的金属核为骨架,每个金属核上带有两个配体,属于四方晶系,P4/ncc空间群,a=2.1656(2)nm,b=2.1656(2)nm,c=2.6668(4)nm,α=90°,β=90°,γ=90°,V=12.507(3)nm3,Z=16。荧光光谱分析表明:钇(Ⅲ)配合物在473nm处有强蓝色荧光发射,色坐标为(0.153,0.276)。其光致发光性能较好,有望在蓝色光学材料方面得到应用。     

Ce^3+/Yb^3+共掺LiLuF4单晶的紫外和近红外发光研究

采用改进的坩埚下降法成功生长了Ce^3+/Yb^3+离子双掺杂LiLuF4单晶, Ce^3+的初始离子掺杂浓度为0.1mol%,Yb^3+离子浓度从0变化到2.0mol%。在波长291 nm激发时观察到Yb^3+在1020 nm(2F5/2→2F7/2)附近的强近红外发射以及Ce^3+在300~350 nm(5d→4f)的紫外发射。通过吸收光谱、荧光光谱研究了Yb^3+离子掺杂浓度对Ce^3+/Yb^3+共掺杂LiLuF4单晶光谱性质的影响及Ce^3+到Yb^3+离子的能量转移机理。通过变温光谱的研究发现,当环境温度从298 K增加到443K时,其荧光发射强度不断降低。Ce^3+/Yb^3+共掺杂LiLuF4单晶发光波长主要位于紫外和近红外,这种独特的发光属性可望用于防伪技术和公共安全事务中。     

受限于聚甲基丙烯酸甲酯中镓颗粒熔化行为的动态力学分析

通过动态力学分析仪对分散在聚甲基丙烯酸甲酯中不同尺寸的镓颗粒的熔化行为进行了研究,观察到镓颗粒4个固液相变力学损耗峰,分别对应于镓稳态相(α-Ga)和3个不同亚稳相(β-Ga、γ-Ga和δ-Ga),结果证明不同尺寸颗粒的熔化行为不同.建立了一个唯像模型以解释固-液相变力学损耗峰形成的机理.     

铝取代杂多硅钨酸盐异构体/聚苯胺掺杂材料的合成及性质

以Keggin结构铝取代杂多硅钨酸盐异构体α·β_i-K_5 [SiW_(11)Al(H_2O)O_(39)]·xH_2O(β_i=β_1,β_2,β_3)为掺杂剂制备了α·β_i-SiW_(11)Al/PANI电子聚合物材料.用红外光谱、紫外光谱、X-射线粉末衍射、SEM、热重分析等对此材料进行了表征,测定了材料的导电性和荧光性,研究了它们的热稳定性.结果表明:掺杂了铝杂多硅钨酸盐异构体的聚苯胺都具有较好的热稳定性,比本征态聚苯胺的分解温度提高了121.9℃,材料最好的电导率为0.83S·cm~(-1).荧光光谱表明,掺杂材料具有相似的荧光性质,对应的荧光发射波长为420和484nm,发蓝绿光.     

Bi_4Ti_3O_(12)/TiO_2异质结的制备及其光催化性能

用静电纺丝和水热法制备了Bi4Ti3O12/TiO2异质结,用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对Bi4Ti3O12/TiO2异质结和TiO2纳米棒的形貌及晶体结构进行了表征和分析。其紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)表明,相比于纯TiO2纳米棒,Bi4Ti3O12/TiO2异质结的吸收带边有明显的红移,禁带宽度也有减小,说明Bi4Ti3O12/TiO2异质结的形成有利于提高样品对可见光的吸收。从光致发光图谱(PL)可见,Bi4Ti3O12/TiO2异质结在440 nm的发射峰强度明显减弱,说明Bi4Ti3O12/TiO2之间的异质结结构有效抑制了光生电子和空穴的复合。对甲基橙的紫外光催化降解结果表明,这种异质结在紫外光辐射下表现出更高的光催化活性,随着异质结浓度的增加其光催化性能明显提高。     

稀土发光材料Ca3((P,V)O4)2:Eu3+的合成和性质

采用燃烧法合成了系列稀土Ca3(P,V)O4)2:Eu3+发光材料,用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、荧光分光光度计等对合成产物进行了分析和表征.结果表明,合成的Ca3((P,V)O4)2:Eu3+荧光粉的颗粒很特殊,呈现长2.5μm、宽1μm的方形,在274nm近紫外光激发下,特别显示发射主峰位于616.0nm的宽峰,是一种良好的红色荧光粉.     

新型酰腙类Cu(Ⅱ)配合物的合成、晶体结构及荧光性质

由5-溴-2-羟基苯基乙酮与2-羟基苯甲酰肼在乙醇溶剂中反应得到5-溴-2-羟基苯基乙酮-2-羟基苯甲酰腙。以该酰腙、吡啶和氯化铜水热合成配合物(C15H11N2O3Br)Cu(C5H5N)。通过元素分析和X射线单晶衍射对其进行了表征,结果表明,配合物属单斜晶系,P21/c空间群,晶胞参数a=0.98929(19)nm,b=2.4177(5)nm,c=0.78755(16)nm,β=97.285(4)°,V=1.8685(6)nm3,Dc=1.745mg/m3,F(000)=984。荧光光谱表明,配体和配合物均具有荧光性,配合物在360.0～410.0nm处的荧光强度得到了增强。     

Gd2O2SO4∶Eu3+亚微米棒的水热合成及发光性能

以Gd2O3、Eu2O3、H2SO4和NaOH为实验原料,采用水热法合成了Gd2O2SO4∶Eu3+亚微米棒。XRD和FT-IR分析表明,前驱体Gd2(OH)4SO4·nH2O通过水热合成和随后的热处理(900℃,2h)能转化成纯相Gd2O2SO4。FE-SEM显示,Gd2O2SO4粉体具有边长500～800nm、长度大于10μm的亚微米棒状结构。PL光谱分析表明,在270nm紫外光激发下,Gd2O2SO4∶Eu3+的主发射峰位于618nm,呈现红光发射,归属于Eu3+的5D0→7F2跃迁,其跃迁具有单指数衰减行为,荧光寿命为1.13ms。     

稀土(Y、Pr、Tb)希夫碱配合物的合成、结构及荧光性质

以水杨醛苯甲酰腙为配体(H2L),采用溶剂热法,合成了3种稀土[Y、Pr、Tb]配合物。通过红外光谱、热重分析、元素分析、紫外及荧光光谱对其进行了表征,并用X单晶衍射测定了钇配合物的结构。其结构以4个对称的金属核为骨架,每个金属核上带有2个配体,属于四方晶系,P4/ncc空间群,a=2.1656(2)nm,b=2.1656(2)nm,c=2.6668(4)nm,α=90°,β=90°,γ=90°,V=12.507(3)nm3,Z=16。荧光光谱表明,钇配合物在473nm处有强的荧光发射,铽、镨配合物都表现出良好的特征荧光发射,其光致发光性能良好,有望在光学材料方面得到应用。     

Gd_2(MoO_4)_3∶Sm~(3+),Tb~(3+)荧光粉的制备及发光性能研究

采用溶胶-凝胶燃烧法制备了Gd_2(MoO_4)_3∶Sm~(3+),Tb~(3+)荧光粉,采用XRD、SEM和荧光光谱仪对样品的晶体结构、形貌及发光性能进行分析。结果表明:合成了正交晶系β′-Gd_2(MoO_4)_3,平均粒径为1μm左右。在254nm紫外光激发下,随着Sm~(3+)和Tb~(3+)掺杂浓度的变化,荧光粉颜色实现了红色→黄色→绿色的颜色可调,同时可观察到Tb~(3+)到Sm~(3+)的有效能量传递和Tb~(3+)的浓度淬灭现象。