氮化镓材料的分析方法

近年来，随着材料测试技术的不断进步，检测材料形貌、结构以及性能的实验仪器也变得越来越多样化，对本实验所制备的氮化镓纳米材料的表征时，首先通过透射电子显微镜（TEM，transmission electron microscopy）以及场发射扫描电子显微（FESEM，Field emission scanning electron microscope）对样品的微观形貌进行测试，这就为控制纳米结构的形貌提供了实验依据，根据此结果改变实验参数，以此来达到控制氮化镓纳米结构形貌的目的；然后，通过 X-射线衍射（X-ray diffraction patern，XRD）、选区电子衍射（SAED，selected area electron diffraction）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM，high-resolution transmission electron microscopy）来对样品的成分以及结构进行分析，以此来判断所制备的氮化镓是立方结构还是六方结构以及他们的生长方向；最后，通过拉曼光谱（Raman spectrum）、荧光光谱（PL，Photoluminescence spectrum）来测试所制备样品的光学性质。

1. X射线衍射（XRD）

X射线衍射法是根据X射线衍射原理来精确测定物质的晶体结构和应力的检测方法，测试方法简单、方便、测试结果准确，可以准确判断材料结晶质量好坏，因此是一种非常重要的、不可替代的晶体材料测试方法，被广泛应用于材料科学的检测领域。由于晶体内各原子是周期性排列成三维空间点阵结构的，所以各原子散射波长之间存在固定的位相关系，当X射线照到晶体表面时，会在每一个点阵处发生一系列的球面散射波，当波长、频率都与X射线相同时，这种球面散射波在空间就会产生干涉作用形成衍射波。由此可知，衍射的结果是由于晶体中各原子相干散射波叠加产生的。衍射线的位置是由晶面间距来决定的，这同时也决定着晶胞的形状和大小，衍射峰相对强度则取决于晶胞中的数目、种类和排列方式。因此，不同物质结构的衍射花样是各不相同的。根据衍射条件的限制，只有光程差等于波长的整数倍时衍射才能够加强，布拉格方程如下：2dsinθ=nλ （n为整数），式中的n是衍射级数，θ是衍射角，d是晶面间距。

2. 透射电子显微镜（TEM）

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscoy，TEM）是以高能电子束（50-200 KeV）作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高大倍数的电子显微镜。电子束波长非常短仅为 0.0037 nm，这使得现代电子显微镜的分辨率（也叫分辨本领）高达 0.1 nm。透射电子显微镜主要是由电子光学部分、真空部分、电子学部分三部分组成的。其核心就是电子光学部分，电子光学部分又可以分为五个系统，分别是：照明系统、成像系统、观察和照相系统、试样台和试样架以及真空系统。其中成像系统是电子光学部分的最核心组份。它的基本成像原理是阿贝成像原理（即衍射谱和两次衍射成像原理），当电子束照射到具有周期结构特点的晶体样品时，样品通过散射而产生衍射谱，其衍射波再通过相互之间的干涉，从而在像平面成像，即反映出样品的特征，然后通过透射电镜中的电磁透镜进行高倍放大后，进而在荧光屏上显示出图像。这样的透射电镜可以观察样品形貌，同时还可以进行样品结构的分析。透射电子显微镜又可以分为高分辨型和分析型两种，本试验中我们用到了高分辨型透射电子显微镜（HRTEM），其可以使多数晶体中的原子序列成像，同时也可以看到晶格的结构。另外，高分辨型 TEM 还可以进行选区电子衍射（SAED）的测试，我们通过测试得到的衍射斑点，可以进一步确定微观晶体的晶型结构。

3. 扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）和前文所讲的透射电子显微镜功能相似，都可以用来观察材料的微观形貌。扫描电子显微镜是由高能电子束在加速电压加速下依次通过各级透镜，最终汇集到样品表面从而进行表面扫描，它是通过电子束与样品之间的相互作用产生信号，再由接收器接收后在显像装置上显示显微图像的。在SEM成像信号中最基本的是二次电子，其同时也是分析过程中使用最广泛的，这是因为它作用范围小，使得其显微像分辨率高。SEM的分辨率可以高达1 nm，而且SEM的景深很大，这就使得显微像立体感更强，因此SEM在材料形貌分析领域得到了广泛应用。扫描电子显微镜还配有X射线能谱仪（EDS），它是可以分开不同能量的X射线的装置，从而可以分析样品的元素组成。

4. 拉曼光谱（Raman）

由Raman的相关文章，我们知道拉曼光谱是一种散射光谱，其原理就是分子振动。目前，这种光谱仪被广泛地用来分析物质结构，还能用来定性分析化合物，这是由于不同的材料，在激发波的照射下会有不同的声子震动，因此会在Raman谱图中产生不同的波数和强度，最后会产生不同的拉曼光谱图。

虽然拉曼光谱与红外光谱的原理和机制不同，但是它们所能给出的结构信息却十分相似，即分子内部简正振动频率和振动能级的信息，通过这些信息我们可以知道物质分子中的官能团信息。拉曼光谱与红外光谱在分子结构的分析方面是互补的，拉曼光谱和红外光谱都可以用来测定聚合物、有机大分子等信息，而拉曼光谱还可以用来研究在红外光谱中没有吸收峰的无机物和金属配合物。

5. 光致发光光谱（PL）

光致发光光谱也叫荧光光谱。它是半导体材料在能量高于材料本身禁带宽度的光照激发下产生的一种发光现象。PL光谱是对半导体材料能带结构、发光缺陷性质以及光学性质进行检测的最常用手段。其光致发光过程主要可以分成三个步骤。第一步是光吸收过程，在此过程中由于光激发的作用，在半导体中会产生电子空穴对，产生非平衡载流子。通常情况下，只有在光子能量大于或等于半导体材料禁带宽度时，才会发生本征吸收，才会产生有效的电子空穴对。第二步是光生非平衡状态载流子的扩散、弛豫。在这一步骤中非平衡状态下的载流子有可能会发生空间扩散和能量上的转移。最后一步是电子空穴对复合产生发光。在条件合适时，电子空穴复合使得分子吸收的能量又以辐射（主要是荧光或磷光）的形式再度释放，从而使分子恢复到稳定的状态，这就是光致发光的基本过程。