Ⅲ族氮化物多元合金纳米结构的制备、形貌与成分调控和性能研究

Ⅲ族氮化物及其多元合金的带隙可覆盖6.2-0.7eV范围，调控合金成分可使其带隙在此范围内连续调变，并引起电学、光学、压电、场发射等性能的改变。相对于已被广泛研究的二元氮化物，多元合金氮化物纳米结构的研究刚起步，原因在于难以克服合金纳米结构生长中易发生相分离的难题，缺乏单相合成及其成分调控的技术。申请人通过在CVD过程中精细调节金属源的相对蒸气分压使生长条件相互匹配，实现了单相AlGaN纳米锥阵列的大面积制备及全成分调控，产物的发光和场发射性能也随着成分调变而逐步演变。本项目拟在此基础上深化AlGaN体系的研究，并将上述简单技术路线拓展到其它多元合金氮化物如AlInN、GaInN、AlGaInN、Al(Zn)N、Al(Si)N等体系，实现其纳米结构的大面积制备、形貌和成分调控，确立这些纳米材料的形貌及成分与性能之间的关系，促进Ⅲ族氮化物纳米材料研究的系统化进程，获得拥有自主知识产权的成果。

合金氮化物的性能跟其成分密切相关，在光学、电学和电化学等领域有广泛应用，相关研究尚处于起步阶段，具有重要的研究价值。本项目围绕氮化物纳米结构的生长机理、成分调控与性能开展研究，取得了以下重要进展：.1．基于前期提出的相平衡主导的气液固机理，成功预测了氮化Al-Ni合金生长AlN纳米线、氮化Fe-Si合金生长Si3N4纳米线的过程，验证了该机理的普适性，对其适用范围进行了界定，为利用相图设计和生长纳米线提供了理论基础。.2．获得了多种合金纳米结构，揭示了其优异的性能。a) 采用化学气相沉积法成功制得了InxAl1-xN合金纳米结构，其形貌和成分与金属源的蒸气压之比密切相关，In含量可在0<x<5 at%之间调变。还通过CVD原位掺杂法制得了Al(Mg)N和Al(Si)N纳米锥阵列，其场发射性能因Si掺杂而提高，因Mg掺杂而降低。b）采用超离子导体诱导法，首次制得了ZnxCd1-xS合金纳米线，在大范围内调变了合金纳米线的成分，实现了对其带隙和光学性能的连续调变。该方法在长度、直径和成分的可控性方面显著优于热蒸发和溶剂热等方法。c）采用浸渍-氮化法在碳基纳米笼表面负载了Co-Mo合金氮化物纳米粒子，获得了成分连续可调的Co-Mo合金氮化物/碳基纳米笼复合材料。用作酸性介质中氧还原催化剂，MoN具有高稳定性但活性低，Co5.47N具有高活性但稳定性差，而Co-Mo合金氮化物兼具Co5.47N的高活性和MoN的高稳定性，其活性在非贵金属催化剂中处于国际领先水平。该工作的意义在于将合金化的概念从贵金属催化剂（Pt-M）成功地拓展到了廉价化合物催化剂体系，研究空间巨大。.3. 设计制备了基于AlN纳米锥的复合纳米结构，研究了其光电性能。结合PED-VLS机理和气固机理，成功制得了直径和长度可调的AlN-Si3N4异质结构，研究了其发光性能。将CsI纳米粒子负载在AlN纳米锥表面构建了CsI-AlN复合纳米锥，有效降低了其功函，并增加了发射位点，改善了其场发射性能，为其他材料场发射性能的优化提供了参考。.4. 在N掺杂碳基纳米材料的制备、功能化及能源存储和转化性能方面作了有益的探索。.在项目执行期间，发表SCI论文17篇，获授权专利3项，国际会议作邀请报告2次，圆满完成了各项研究任务。