氮化镓纳米粉末的氮化合成及紫外探测用薄膜的制备与表征

本研究针对高性能紫外探测器的材料需求，开发了通过氮化法合成GaN纳米粉末并结合电子束蒸发制备薄膜的新工艺。研究人员系统表征了材料的晶体结构（XRD证实为纤锌矿结构）、形貌（FESEM显示150 nm均匀薄膜）及光学性能（UV-DRS测得3.37 eV带隙），并构建出响应速度达18 ms/15 ms、灵敏度133.6的光学传感器，为宽禁带半导体器件开发提供了新思路。

　　

在紫外探测技术领域，传统硅基材料因带隙限制难以满足短波长检测需求，而第三代半导体氮化镓(GaN)凭借3.4 eV的宽禁带特性成为理想候选。然而现有制备工艺存在结晶质量差、成本高等瓶颈，特别是纳米级材料的可控合成与薄膜均匀性控制仍是技术难点。

为解决上述问题，研究人员开展了一项创新性研究，通过氮化反应合成GaN纳米粉末，并采用电子束蒸发技术在硅基底上沉积薄膜。X射线衍射(XRD)分析表明，前驱体粉末呈现典型的纤锌矿结构（空间群P6₃mc），而沉积薄膜则呈现非晶态特征。场发射扫描电镜(FESEM)观测到厚度约150 nm的连续致密层，能谱分析(EDS)证实Ga/N化学计量比为1:1.03，证明工艺能有效维持组分稳定性。

关键技术方法包括：氮化法制备纳米粉末、电子束蒸发沉积薄膜、XRD结构分析、FESEM形貌表征、紫外漫反射光谱(UV-DRS)带隙测定，以及通过光响应测试系统评估传感器性能。

研究结果显示：

1. 结构特性：XRD衍射峰与标准卡片JCPDS 76-0703匹配，确认产物为六方相GaN，薄膜非晶化可能源于低温沉积工艺。
2. 形貌特征：FESEM显示表面均方根粗糙度<5 nm，截面测量厚度为152±3 nm，满足器件级均匀性要求。
3. 光学性能：UV-DRS测得薄膜吸收边位于365 nm，Tauc作图法计算带隙为3.37 eV，与体材料基本一致。
4. 器件表现：叉指金电极器件在310 nm紫外光照下，展现出133.6 mA/W的灵敏度，上升/下降时间分别为18 ms和15 ms，优于多数报道的溶液法制备器件。

该研究通过优化氮化-蒸发协同工艺，实现了GaN纳米材料从粉末合成到功能器件的全链条制备。非晶薄膜仍保持良好光电性能的现象，为降低器件制备温度提供了新视角。18 ms级响应速度使其在环境监测、生化分析等领域具有应用潜力，而133.6的灵敏度指标则为开发高信噪比探测器奠定基础。论文发表于《Sensors International》，为宽禁带半导体光电器件的低成本制造提供了重要参考。