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氮化铝纳米线制备及微结构分析

张学星  
【摘要】: 低维纳米材料具有一些新奇的电学、光学、磁学和化学性质,在太阳能电池、传感器、催化剂、吸附剂和选择分离等诸多重要技术领域有着广泛的应用前景。因此,低维纳米材料的制备与研究在现代材料科学的研究中占据着非常重要的地位,处在材料科学研究的前沿。本论文采用直流电弧法制备AlN纳米线和纳米粉;利用烧结法制备AlN纳米线;并对它们的形貌、组成、晶体结构及其他一些性质进行了表征;对两种方法制备的A1N纳米线的生成机理进行了初步探讨。 探讨了用等离子体电弧法在不同气氛、气体分压比、电弧功率等条件对AlN纳米粉和纳米线生成的定性影响,并对纳米粉的生成量进行了定性计算,还对它们的形貌结构和特性进行了分析。结果表明:在N_2:NH_3分压比为1:1条件,采用分段供气手段,生成纯净的AlN纳米粉,颗粒为表面光洁的球形,平均粒径为40nm,在其它情况下生成AlN和Al混合纳米粉。随着功率的增加纳米粉的产量逐渐增加。纯N_2、N_2和H_2、N_2和Ar、N_2和He及N_2和NH_3五种不同气氛下制得的样品中,N_2和NH_3的混合气氛下纳米粉的生成量最高。在N_2和NH_3分压比为1:1的混合气氛下,合成了大量的AlN纳米线,直径分布在10~110nm之间,长度超过20μn,弯曲的部分有很好的结晶态,没发现有层错等现象。AlN纳米线、纳米粉的能带结构基本相似,都发生蓝移和谱线变宽。 研究了用高温烧结法在不同温度、保温时间和纳米粉原料条件下制备AlN纳米线;探讨了工作参数对AlN纳米线的影响:并对纳米线的形貌和微观结构特性进行了表征。结果表明:以AlN和Al的混合纳米粉为原料,当温度为1130℃时制备出AlN纳米线比其它条件下制备出的纳米线产量高、直径均匀,直径分布在20~100nm之间,长度达到十几微米。AlN属于六方晶系,晶格常数为a=3.11,c=5.08。 根据实验电镜照片、热力学定理及借鉴前人对一维纳米材料生长机理的研究,探讨了这两种方法制备AlN纳米线的生成机理:利用等离子体直流电弧法制备的AlN纳米线符合VLS生长机理,而利用烧结法制备的AlN纳米线符合SLS生长机理。


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