一种氧化镓晶体及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种氧化镓晶体及其制备方法和应用。所述氧化镓晶体是多孔的；孔径尺寸为100nm～1000nm。利用磷酸镓晶体与氧化镓晶体晶格匹配相似但镓含量高的特点，使磷酸镓单晶衬底与氩气在高温下由外及里氧化转化逆向外延生长氧化镓晶体，其余产物完全挥发。衬底与氩气在高温下，是磷元素挥发，外延生成多孔氧化镓单晶晶体。操作简单、重复性好、适合大规模化生产。得到的多孔氧化镓单晶晶体的晶体尺寸与所采用的磷酸镓单晶材料的尺寸相同。本领域技术人员可以根据实际需要，通过选择合适尺寸的磷酸镓单晶材料，从而得到所需要的多孔氧化镓单晶晶体。化镓单晶晶体。

Gallium oxide crystal and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种氧化镓晶体及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及一种氧化镓晶体及其制备方法和应用，属于无机材料领域。

技术介绍

[0002]β
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Ga2O3单晶禁带宽度较大、生长成本低廉，并且化学性质稳定，可用于制作半导体器件，同时也具有一定的催化性能，在能源、军事、环境、医疗等方面具有重要的价值。
[0003]β
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Ga2O3晶体在功率器件中具有明显优势。β
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Ga2O3禁带宽度是单晶Si的四倍以上，而且高于碳化硅和氮化镓。其击穿电场强度较高，高出碳化硅和氮化镓两倍以上。但是，由于晶体热导率较低，散热能力较差，可以通过其较低导通电阻，从而降低器件自身发热。
[0004]β
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Ga2O
3“日盲”光电探测器与光电探测器相似，利用光电效应，将光信号转变为电信号。β
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Ga2O3与传统的光电材料相比，主要优势有：吸收截止边位于260nm处、禁带宽度为4.7eV，同时，晶体自身可以满足“日盲”光电器件的条件，从而避免了合金化的问题。
[0005]β
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Ga2O3用途比较广泛，除了光电器件，还可以作为氧化锌、氮化镓等材料的衬底。β
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Ga2O3单晶具备碳化硅导电性好和氧化铝良好透明度的优点，适用于垂直结构的LED。与制作的水平结构的LED相比，β
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Ga2O3垂直结构LED具有许多优势，例如，驱动电压较低、电流分布均匀、散热效率较高、高亮度和高效率的优点。而且，β
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Ga2O3和氧化铝与氮化镓之间的晶格失配相差较大，β
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Ga2O3与氮化镓之间较小。β
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Ga2O3为基底的LED在市场应用具有较高价值。
[0006]催化方面，氧化镓催化剂最早被用于丙烷的芳构化反应，能够出现丙烯这一中间体，随后，在低碳烷烃脱氢研究领域被人们所关注。氧化镓催化活性高于传统脱氢能力较强的三氧化二铬和五氧化二钒催化剂，多晶氧化镓活性位点不清晰，无法进一步解析反应机理，单晶表面结构清晰，但是，比表面积较小。

技术实现思路

[0007]基于现有技术的缺陷，有必要提供一种制备大尺寸纳米多孔氧化镓单晶的方法，来为氧化镓基器件以及催化领域提供优质的大尺寸(
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202)面或(400)面的纳米多孔氧化镓单晶衬底和催化剂。
[0008]根据本申请的一个方面，提供一种多孔氧化镓单晶材料，所述多孔氧化镓单晶材料中含有孔径尺寸为100nm～1000nm的孔。所述多孔氧化镓单晶材料中含有的孔的孔径尺寸上限为1000nm、900、800nm、700nm、600nm、500nm、400nm、300nm、200nm；所述多孔氧化镓单晶材料中含有的孔的孔径尺寸下限为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm。
[0009]所述多孔氧化镓单晶材料是多孔氧化镓单晶薄膜和/或多孔氧化镓单晶整体。
[0010]所述多孔氧化镓单晶薄膜和/或多孔氧化镓单晶整体的表面为(
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202)面或(400)面。
[0011]所述多孔氧化镓单晶薄膜的厚度为2～10μm；
[0012]所述多孔氧化镓单晶整体的尺寸为0.1mm～1cm。
[0013]所述多孔氧化镓单晶材料具有纳米或微米尺度自支撑结构，含有大孔。
[0014]所述多孔氧化镓单晶材料为块状单晶时，可以作为氧化镓基器件的外延衬底，起到应力释放和差排消解的作用。
[0015]所述多孔氧化镓单晶材料比无孔氧化镓单晶衬底比表面积更大，在催化领域更具优势，表面结构清晰，催化能力更强。
[0016]所述氧化镓晶体的比表面积为3～20m2/g。
[0017]所述氧化镓晶体的结构为单斜结构；
[0018]所述氧化镓晶体的晶系为斜方晶系；空间群为C/2m；
[0019]氧化镓单晶的晶胞参数a，b和c分别为12.124，3.037和5.798。
[0020]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的多孔氧化镓单晶材料的制备方法，至少包括以下步骤：
[0021]将磷酸镓晶种与含有非活性气体的原料气接触，反应，得到所述多孔氧化镓单晶材料；
[0022]所述非活性气体选自氮气、氦气或氩气中的至少一种。
[0023]所述含有非活性气体的原料气中，所述非活性气体的流量记为a，0.1SLM≤a≤5SLM。
[0024]所述反应的温度为1373K～1873K；所述反应的温度上限为1873K、1773K、1673K、1573K、1473K；所述反应的温度下限为1373K、1473K、1573K、1673K、1773K；
[0025]所述反应的压力为100托～600托；所述反应的压力上限为600托、500托、400托、300托、200托；所述反应的压力下限为100托、200托、300托、400托、500托；
[0026]所述反应的时间为10h～200h。
[0027]所述反应的时间为10～20h时，所述多孔氧化镓单晶材料宏观上为覆盖于所述磷酸镓晶种表面的薄膜；
[0028]所述反应的时间为100～200h时，所述多孔氧化镓单晶材料宏观上为单晶。
[0029]所述磷酸镓晶种与含有氩气的原料气的接触面为(012)面或(212)面。
[0030]所述磷酸镓晶种中含有氧，制备过程的反应机理如下：
[0031]具体地，所述制备氧化镓单晶材料的方法包括将磷酸镓晶种与含有氩气的原料气接触反应，使磷形成氧化磷挥发，从而得到所述多孔氧化镓晶体晶材料。
[0032]所述磷酸镓晶种是磷酸镓单晶片，面积最大的面是单晶的(012)面、(212)面，这两面与含有高纯氩的原料气接触。
[0033]当多孔氧化镓晶体材料为覆盖于磷酸镓晶种表面的多孔单晶薄膜时，接触反应的时间为10h～20h。反应时间的长短与多孔氧化镓单晶薄膜的厚度正相关，反应时间越长，得到的多孔氧化镓单晶薄膜厚度越厚。
[0034]当制备的多孔氧化镓晶体材料为多孔氧化镓单晶时，反应的时间为100h～200h时得到多孔氧化镓单晶晶体；足够的反应时间使磷酸镓晶种全部转化为多孔氧化镓晶体材料。
[0035]所述反应在真空生长器中进行。
[0036]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的多孔氧化镓单晶材料或上述的制备方
法制备的多孔氧化镓单晶材料的应用，作为氧化镓基器件的衬底。
[0037]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的多孔氧化镓单晶材料或上述的制备方法制备的多孔氧化镓单晶材料的应用，用于催化丙烷的芳构化反应或低碳烷烃脱氢。
[0038]根据本申请的另一个方面，提供一种催化丙烷的芳构化反应或低碳烷烃脱氢的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
[0039]本申请中，SLM是Standard本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔氧化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氧化镓单晶材料中含有孔径尺寸为100nm～1000nm的孔，孔隙率在40～70％。2.根据权利要求1所述的多孔氧化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氧化镓单晶材料是多孔氧化镓单晶薄膜和/或多孔氧化镓单晶整体。3.根据权利要求1所述的多孔氧化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氧化镓单晶材料的表面为(
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202)面或(400)面。4.根据权利要求1所述的多孔氧化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氧化镓单晶薄膜的厚度为2～10μm；所述多孔氧化镓单晶整体的尺寸为0.1mm～1cm。5.一种权利要求1～4任一项所述的多孔氧化镓单晶材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：将磷酸镓晶种与含有非活性气体的原料气接触，反应，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢奎，李佳明，叶灵婷，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：