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低维半导体纳米材料的液相合成、结构表征及应用研究

吴海平  
【摘要】: 本论文旨在探索和完善溶液法用于合成和制备低维金属及半导体纳米材料的新路线。通过在不同溶液反应条件下的反应路线设计,加深了对溶液法制备低维纳米材料的理解。并成功地将液相还原法、反相微乳液法、溶剂热分解法引入实验中制备了单分散性很好的零维锗纳米粒子、一维锗纳米线、银纳米线、氧化锗纳米方块等低维纳米材料。具体研究内容归纳如下: 1.以四氯化锗(GeCl_4)作为锗源前驱体,十二烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,庚烷或是辛烷为油相,采用原位超声辅助液相还原法制备了粒径在3~10nm,单分散性较好的锗纳米粒子。研究了反应过程中反应条件、还原剂的选择、先驱体的浓度对制备的锗纳米晶的形貌、结构以及粒径分布的影响,并系统地讨论了锗纳米晶的形成机理。 2.以CTAB和油胺作为表面活性剂,利用GeCl_4在不同pH值水溶液中水解,采用反相微乳液法成功地制备了单晶、粒径在50nm到520nm范围内的单分散氧化锗纳米方块。具体研究了反相微乳液体系中的反应条件如:表面活性剂浓度、水溶液pH值、油相的选择对制备的氧化锗纳米方块的形貌、粒径及微结构的影响。利用描绘晶体形貌生长机理的BFDH和Hartman—Perdok理论对本研究中制备的氧化锗方块的生长机理进行了深入的探讨。 3.以GeCl_4和油胺在高温下反应的产物Ge[CH_3(CH_2)_7CH=CH(CH_2)_8]_4(TOG)作为前驱体,油胺和油酸作为表面活性剂,通过前驱体在高沸点溶剂三辛胺(TOA)中的热分解,制备了单分散性很好、室温下发蓝光的不同粒径单晶锗纳米粒子。通过对前驱体TOG进行了详细的表征探讨了制备反应的路线。研究中还发现,若在制备锗纳米晶实验过程中不加表面活性剂油酸和油胺,反应过程中溶液不加搅拌,延长回流时间可以得到长径比达到1000的锗纳米线。通过简单地改变前驱体在溶液中的浓度还可以调节锗纳米线的直径。电子输运性能测试表明制备的锗纳米线与金属电极呈现出很好的欧姆接触行为。由于制备的这些锗纳米线具有很粗糙的表面,实验表明这些粗糙的凹坑可能可以作为ZnO纳米线形核点促进ZnO纳米线在Ge线表面的生长。 4.以制备新型各向同性导电胶为例对一维纳米材料在实际中的应用进行了探讨。采用文献报道的溶液法制备了长径比为200的银纳米线。以这些银纳米线作为导电胶的导电填料制备了性能优异的各向同性导电胶,通过对导电胶的电学性能、力学性能、抗老化性能的测试及与传统的填充微米量级银粒子导电胶的性能比较,我们对导电胶的导电机理进行了详细的解释。另外为了降低导电胶的成本,利用碳纳米管的纤维状结构的优点,通过化学法在碳纳米管表面镀银来提高导电性,以这些镀银碳纳米管作为导电填料,制备了新型的高性能、低成本导电胶,并对导电胶的导电性能、导电机理进行了详细的测试和分析。为了进一步了解导电填料对导电胶性能的影响,我们采用微乳液法制备了粒径范围在10~1000nm不同粒径的单分散银粒子,以这些银粒子作为导电胶的导电填料,具体地研究了填料粒径对导电胶渗滤阈值的影响,并采用理论计算结果对这一实验结果进行了详细的解释。


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