基于金催化低壓化學氣相沉積法在4H-SiC襯底上合成β-Ga?O?納米線

超寬禁帶半導體 β-Ga₂O₃ 具有 4.9 eV 的超寬帶隙的，已然成為日盲紫外線光探測器領域極具潛力的候選材料。為突破傳統薄膜器件的固有局限性，具有增強表面體積比和量子限制效應的一維 Ga₂O₃ 納米結構已成為當代研究的焦點。先前的報道中有利用銀輔助傾斜角沉積（GLAD）方法成功制備了 β-Ga₂O₃ 納米線光探測器，展現出卓越的時域響應特性（τr/τd = 0.23 s/0.41 s）。這些結果證實了納米線形態在調控載流子輸運動力學中的關鍵作用。通過水熱法在 p-GaN 襯底上合成的 β-Ga₂O₃ 納米棒陣列展現出顯著的光電性能指標，包括在 260 nm 光照下的響應度為 1.19 × 10^-1 A/W 及光敏度為 730.7%。

由西安理工大學的研究團隊在學術期刊 Journal of Crystal Growth 發布了一篇名為 “Synthesis and characterization of β-Ga₂O₃ nanowires on 4H-SiC substrates via Au-catalyzed low-pressure chemical vapor deposition”（基于金催化低壓化學氣相沉積法的 4H-SiC 襯底上 β-Ga₂O₃ 納米線的合成及表征）的文章。

采用低壓化學氣相沉積（LPCVD）法，以金（Au）為催化劑，在 4H-SiC 襯底上合成了 β-Ga₂O₃ 納米線。首先將不同厚度（0–40 nm）的金納米膜通過濺射法沉積在 4H-SiC 襯底上，隨后在 1000 °C 下進行熱處理。系統性地研究了所得 β-Ga₂O₃ 納米線的形態特征與 Au 納米膜厚度之間的關系，從而對生長機制進行了全面分析。研究揭示了催化劑膜厚度與 LPCVD 合成過程中納米線形成動力學之間的關聯。結果表明，Au 納米薄膜厚度減小對應于 β-Ga₂O₃ 納米線直徑減小，同時抑制了柱狀和層狀納米結構的形成。

● 通過 LPCVD 在 4H-SiC 襯底上生長 β-Ga₂O₃ 納米線。

● 研究 Au 催化劑對納米線性質的影響。

● 展示隨著 Au 薄膜增厚，生長機制從 VLS 主導型向混合 VLS-VS 型轉變的過程。

本研究成功在 SiC 襯底上實現了通過金催化 LPCVD 法對 β-Ga₂O₃ 納米線進行可控合成。通過 SEM、EDS 和 PL 等綜合表征手段，系統闡明了催化劑厚度對 β-Ga₂O₃ 納米線形態、尺寸及結構特性的關鍵影響。在缺乏 Au 催化劑的情況下，樣品未形成納米線，這突顯了催化劑在促進一維生長中的關鍵作用。當 Au 膜厚度為 10 nm 時，成功合成了直徑約為 50 nm 的稀疏納米線。將催化劑厚度增加至 20 nm 時，樣品呈現出由納米線和少量直徑約 100 nm 的納米帶組成的異質形態。進一步將 Au 薄膜厚度增加至 40 nm 時，獲得了密集排列的納米線、納米柱和堆疊的納米帶，其直徑約為 150 nm，且沿著與基底法線軸成傾斜角度生長。

實驗結果表明，隨著 Au 薄膜厚度的增加，生長機制從以 VLS 過程為主的階段過渡到混合 VLS-VS 模式，導致納米帶和納米柱與納米線同時形成。對于合成結構明確、均勻的 β-Ga₂O₃ 納米線結構，最佳條件被確定為沉積 10 nm 厚的 Au 納米薄膜。在高溫條件下，該 Au 薄膜的熱分解產生了直徑約 30 nm 的催化液滴，隨后這些液滴作為模板促進了直徑約 50 nm 的納米線生長。這些發現建立了催化劑尺寸與納米線形態之間的基本關聯，為設計和控制合成具有定制性能的 β-Ga₂O₃ 納米線以應用于先進光電子領域提供了關鍵洞見。

圖1. 不同催化劑厚度退火后基底的SEM圖像：（a）Au 厚度：10 nm，（b）Au 厚度：20 nm，（c）Au 厚度：40 nm。

圖2. 不同Au厚度β-Ga₂O₃納米線樣品的SEM測試結果（a）無催化；（b）10nm和局部放大；（c）20nm和局部放大；（d）40nm和局部放大