前言GaN是一种引人注目的一维（1D）纳米结构，因其独特的光电特性、高迁移率和优异的热稳定性而备受关注。
这些纳米结构在合成半导体器件方面发挥着重要作用，特别是在场效应晶体管、发光二极管、逻辑电路、紫外光探测器和纳米激光器等方面。
迄今为止，已经通过不同的方法成功合成了多种形式的GaN一维纳米结构。
其中，化学气相沉积（CVD）和模板直接法采用催化剂介导技术，利用碳纳米管和多孔氧化铝作为支架，实现了GaN纳米结构的制备。
在这里，我们通过简单的催化化学气相沉积法，制备了太阳形状的高质量单晶GaN纳米线，直径为15-100纳米，长度可达数百微米。这是首次制备纯立方GaN纳米线。
这项研究为开发具有优异物理性能的GaN纳米器件，提供了新的可能性，将有助于推动纳米电子学和光电子学领域的进一步发展。
实验和材料将0.266克CrCl3.6H2O溶解在10毫升乙醇中。然后，将1.0毫升CrCl3.6H2O乙醇溶液和0.01克铁粉混合，进行15分钟的超声搅拌。
这样得到的铬和铁乙醇溶液被用作催化剂。接下来，使用常规高温水平石英管炉进行GaN纳米线的合成。硅（111）衬底在超声波浴中用去离子水、丙酮和无水乙醇分别清洗15分钟。
然后，在硅衬底表面滴加铬和铁乙醇溶液。将衬底在80°C的空气中干燥后，将催化硅衬底放置在装有Ga粉末（纯度为Ga：99.999％）的石英船一侧。
Ga源与催化硅衬底之间的距离在10到50毫米之间。将装有Ga源的石英船和催化硅衬底放置在反应器的中心石英管内。
在加热前，将石英管抽空至小于0.01 Torr，并在石英管中加入氮气，直到压力升至约1大气压为止。
使用50 sccm的氮气作为载气通过石英管流动。同时，将温度从室温以每分钟5°C的速率升至900°C。
当温度升至900°C时，开始并保持200 sccm的稳定NH3流动，持续90分钟（反应期间关闭N2气流）。反应结束后，用N2冷却炉至室温，产物沉积在硅表面。
通过使用日立S-4800型场发射扫描电子显微镜（FESEM），我们直接检查了产物的尺寸和形态。
采用连接在扫描电子显微镜上的微分析系统，对产物的化学成分进行了表征。
进一步的材料结构研究，则通过透射电子显微镜（TEM）仪器进行，其加速电压为80千伏。
在仪器上进行了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析，其工作加速电压为200千伏。
我们使用激光器的300纳米线作为激发光源，对样品的光学性质进行了PL测量和分析。
结果和讨论下图展示了两种太阳形状的GaN纳米线样品的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，可以通过改变镓/氮反应物比来控制它们的形貌。
当生长环境富含氮时，会获得大量直立的太阳形状GaN纳米线。图(a)和(b)显示这些纳米线以直径约为20至30纳米、长度为几十微米的中心为中心发散生长。
此外，每个纳米线都是直的、均匀的，表面光滑。当反应条件转变为富含镓的环境时，获得了弯曲的纳米线（见图(c)至(e)）。
图(c)是一条长度约为650微米的单个纳米线的低分辨率图像。图(d)显示了典型的弯曲太阳形状GaN纳米线，可观察到许多弯曲的纳米线。
图(e)中的高放大图像显示这些纳米线的直径不均匀，范围从约20纳米到约100纳米不等。
为了确定这些太阳形状纳米线的详细成分，使用了能量色散X射线光谱（EDS）技术（图(c)的插图），显示在太阳形状纳米线的中心存在镓、氮、铁、镉和少量氧。
图(a)展示了直立的太阳形状GaN纳米线样品中直径约为20纳米的典型透射电子显微镜（TEM）图像。
从图(a)中标记的圆环处拍摄了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，图(b)显示了HRTEM中0.276纳米的晶格间距，对应于六角GaN的{101̄ 0}晶格间距，表明这些纳米线沿着[101̄ 0]方向生长。
HRTEM图像中清晰无缺陷的晶格条纹，显示这些纳米线是纯的单晶体。图(c)是相应的选区电子衍射（SAED）图案，可以被索引为六角GaN单晶体的[0001]轴向区方向的反射。
然而，对于第二个弯曲太阳形状GaN纳米线样品，观察到了直立和弯曲的纳米线。图(a)展示了直径约为30纳米的典型直立纳米线的TEM图像，与第一个直立太阳形状GaN纳米线样品相比，直立纳米线直径更厚。
然后，从这根纳米线中拍摄了HRTEM图像（图(b)，由黑箭头标记）。相邻两个晶格面之间的间距为0.276纳米，这也对应于六角GaN的{101̄ 0}晶格间距。
图(c)中的SAED被索引为六角GaN的[0001]轴向区。HRTEM和SAED结果均表明这种直立GaN纳米线是单晶体，其生长方向为[101̄ 0]。
为了了解第二个弯曲太阳形状GaN纳米线样品的结构，我们看到图(a)展示了一根直径约100纳米的典型弯曲纳米线。
从图(b)的典型选区电子衍射（SAED）图案可以观察到，这种纳米线具有立方相GaN的结构，并且其区轴向为[101̄ 0]。
接下来，图(c)显示了纳米线的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，我们可以看到相邻两个晶格面之间的0.26纳米间距，被索引为GaN锌黄铜结构的{111}晶格间距。
通过从图(c)中矩形框所得到的快速傅里叶变换（FFT）图案，我们清楚地观察到这种立方相GaN存在许多堆垛故障。
为了确认弯曲纳米线中GaN的锌黄铜结构，我们选择了许多弯曲纳米线的不同部分进行高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析。结果表明，整个弯曲纳米线都具有均匀的纯立方相GaN结构。
下图中展示了两种太阳形状GaN纳米线样品在室温下的光致发光（PL）发射光谱。
对于第一个直立太阳形状GaN纳米线样品，在室温下观察到一个强烈的发射峰，其波长为370纳米（相当于3.35电子伏特的能量），这主要是由于六角GaN的带边相关发射（见图中的a线）。
另外，还观察到弱的542纳米（相当于2.28电子伏特的能量）发射，这与大块GaN中观察到的黄光发射一致，这意味着GaN纳米线具有高质量并且缺陷较少。
相反，对于弯曲太阳形状GaN纳米线样品，发射峰位于369纳米（相当于3.36电子伏特的能量），表明六角GaN的带边发射相对较弱。
另外，在约400纳米（相当于3.1电子伏特的能量）附近还观察到宽发射峰，这表明存在锌黄铜相GaN的带边发射见图中的b线）。
这些观察结果表明，弯曲太阳形状样品中，存在普遍的锌黄铜相GaN结构，并且有限的六角GaN结构，这与HRTEM分析结果一致。
正如我们都知道的那样，一维纳米结构的最常见生长机制，尤其涉及半导体纳米材料，是蒸汽-液体-固体（VLS）机制，其明显的特征是在纳米线顶端存在催化剂纳米颗粒。
在我们的实验中，我们观察到了相同的现象，如下图所示。结合SEM、EDS、HRTEM、SAED和一些光学特性的分析，我们还推测了一个VLS模型来解释GaN纳米线的生长过程。
下图展示了一个可能的示意图，进一步说明GaN纳米线的VLS生长细节。Fe-Cr金属复合物形成许多大滴，充当支架，然后在适当的温度下，在支架表面出现许多成核点。
氨化镓和氨气蒸发并溶解在催化剂成核点中，形成催化剂-镓-氮合金属液滴。当GaN浓度达到饱和时，这些催化剂-镓-氮合金属液滴可以作为成核点，使得GaN开始生长。
在这个过程中，我们认为形成太阳形状GaN纳米线的关键是“支架”的关键作用，这意味着这些成核点并不是分散的，而是聚集在支架表面。
然而，关于为什么存在特别纯净的立方相GaN结构的重要问题仍然令人着迷，我们提出了一个可能的假设，基于许多先前的研究结果。
我们认为“堆垛缺陷”在立方相GaN纳米线的生长过程中起着重要作用；请参阅下图的分析。
这些堆垛缺陷可能会改变GaN的生长能量，并形成亚稳态的立方相GaN结构。然而，还需要进一步的详细研究来验证这一假设。
结论通过简单的CVD方法，以及VLS过程控制了镓/氮反应物比，我们成功合成了直立和弯曲的太阳形状单晶GaN纳米线。直立纳米线呈现出直径约为20纳米、均匀的高质量六角结构。
令人惊讶的是，弯曲纳米线展示出纯净的立方结构，直径达100纳米，长度可达数百微米，其中观察到许多堆垛缺陷。
通过光致发光（PL）光谱研究发现，这两种GaN纳米线在370纳米和400纳米处显示出强烈的紫外发射带，显示出它们在光电子和电子器件中具有潜在的应用价值。
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