表面改性和激光重复频率对柔性钛金属箔上氮化镓纳米棒生长、结构、电子及光学性质的影响

摘要： 研究了激光分子束外延生长过程中柔性钛金属箔表面改性与激光重复频率对氮化镓纳米棒形貌演变及其结构、电学与光学特性的影响。实验在700°C下分别采用不同激光重复频率（10-30 Hz）在裸钛箔和预氮化钛箔基底上生长GaN纳米结构。结果表明：低重复频率（10 Hz）促进预氮化钛表面形成稀疏的三维倒锥状GaN纳米结构，而30 Hz生长时整个钛箔基底几乎被大晶粒组成的膜状GaN覆盖。当采用20 Hz生长时，预氮化钛箔上成功制备出均匀排列、高密度（~8×10? cm?2）的GaN纳米棒阵列，而相同条件下裸钛箔仅获得稀疏的垂直GaN纳米棒。X射线光电子能谱分析证实生长结构中存在Ga-N键合，且预氮化钛箔上生长的GaN纳米棒呈现富镓化学组成。相比Ga-N反应，裸钛基底更易发生Ti-N优先反应导致GaN纳米棒稀疏生长，因此钛箔预氮化是获得致密排列GaN纳米棒阵列的必要条件。X射线衍射、高分辨透射电镜及拉曼研究表明，氮化镓纳米棒沿纤锌矿结构c轴生长，具有优异的结晶质量与结构完整性。室温光致发光光谱显示致密GaN纳米棒在3.42 eV处呈现近带边发射峰，半高宽为98 meV。这种在柔性基底上实现的高结构/光学质量密度可控GaN纳米棒生长，为未来柔性氮化镓光电子器件与传感器的应用提供了重要前景。