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硅油表面铝纳米结构的生长机理及特性研究

潘启发  
【摘要】:纳米结构的制备、表征与应用是当前纳米科技的重要研究内容。迄今为止,对生长在固相基底表面的纳米结构的研究已经较为成熟,液相基底表面制备纳米机构则是一个较新的研究方向。由于液相基底独特的性质:纳米结构与液相基底分子之间的切向相互作用力十分微弱;纳米结构的扩散系数较固相基底表面大;无晶格导致的各向同性。使得液相基底表面的纳米结构具有独特的形成机理、微观结构和性质。迄今为止,此方向的研究方法尚不完善,还有诸多问题有待解决,例如:纳米结构的形成过程及其微结构演化的实时测量等。本论文采用真空热蒸发方法,在硅油表面制备了铝(Al)纳米结构。将Al纳米结构转移至固相基底表面后,利用原子力显微镜表征其形貌与微观结构,较为系统地研究了沉积名义厚度以及液相基底温度对Al纳米结构的生长机理、表面形貌、微观结构等的影响。研究结果显示:硅油表面Al纳米结构的生长满足“二阶段生长模型”,其凝聚模式与金、银等金属不同,在硅油表面呈现二维凝聚。此二维凝聚模式为研究Al纳米颗粒的密度演化提供了方便。实验表明:在相同的基底温度下,随着沉积名义厚度从0.02 nm增加到0.18 nm, Al纳米颗粒的直径和高度的分布变化不大,分别处于30±10 nm和2.5±1.2nm范围内,而覆盖率则呈现出振荡、非线性增加的趋势,由20%逐渐增加到80%,说明此过程中,Al纳米颗粒可能发生了“致密化”。在相同沉积名义厚度下,通过调控基底温度来研究不同基底温度下Al纳米结构的生长与演化过程。随着基底温度从293 K增加到393 K,Al纳米结构逐渐由分枝状的凝聚体转变成分立的纳米颗粒。纳米颗粒的平均直径由13nm增加到28nm,平均高度由2.3 nm增加到7.6nm,其形状逐渐由扁平圆盘状演化成椭球状。其生长机理可由一个二维扩散—合并模型来解释。全文各章节的内容安排如下:第一章:首先,介绍了各类纳米结构的制备方法、表征手段和应用前景;然后,回顾了液相基底表面制备纳米结构的研究工作;最后,简述本文的研究内容和意义。第二章:利用原子力显微镜,系统地研究了Al纳米结构的形貌与结构随沉积名义厚度的演化过程,并由覆盖率的变化推断Al纳米结构的密度演化。第三章:通过改变液相基底的温度,研究了不同温度下Al纳米结构的演化过程。根据实验结果,建立了一个二维扩散—合并模型,一定程度上解释了Al纳米颗粒的尺寸随基底温度升高而增加的实验现象。第四章:利用动力学标度分析方法研究了Al纳米结构的表面粗糙平滑机制,并对其生长模式进行了分析。第五章:总结本文的主要结果及尚存在的问题,并对今后的工作提出了建议和展望。


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