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硅及硅化物纳米结构的制备与性能研究

刘志洪  
【摘要】: 一维纳米材料由于具有大的长径比、高的各向异性、特殊的结构以及易于组合成器件等特点,引起了国内外研究者的极大兴趣。对一维纳米材料形貌的控制、生长机理的探索以及各种性能的测量与改进,是人们研究的重点。众所周知,硅是最重要的半导体材料,它和其化合物在微电子工业中有广泛的应用。随着光通讯的发展,它们在光通讯领域的应用也引起了人们的广泛关注。尽管人们对它们的一维纳米结构进行了很多研究,但是其生长机理、形貌与性能的关系以及在不同领域的应用研究还需要进一步探索。 本论文首先综述了目前硅及硅化物一维纳米材料的制备和性能研究的主要进展,在此基础上,利用热蒸发法和化学气相沉积法(CVD)技术,制备了单晶硅纳米线、花状硅纳米结构、枝状二氧化硅纳米结构、硅上多孔结构、硅化镍纳米线,硅化铁纳米线和二氧化硅纳米管等多种硅及硅化物一维纳米材料,并研究了这些纳米结构的光学、电学和磁学性能,取得了如下主要的创新结果。 (1)利用不同技术,制备了多种形态的一维纳米硅结构,并发现其独特的性能。实验采用CVD法,分别在硅片表面和多孔氧化铝模板中生长了直径基本可控的硅纳米线,并测试了其光致发光和光波导性能。研究结果表明:用CVD法制备的硅纳米线表面光滑,直径均匀,具有很好的光波导性能。用热蒸发法制备的纳米硅线具有明显的光致发光现象,发光峰在450 nm,实验显示其发光中心来自纳米硅线表面的氧化层。另外,利用热蒸发法在镀金硅片表面生长了花状硅纳米结构,显示了明显光热增强效应。 (2)采用热蒸发法以镁为催化剂生长了二氧化硅枝状纳米结构。镁在生长过程中起两种作用:1、镁与一氧化硅反应加快了一氧化硅的挥发;2、镁刻蚀生成的二氧化硅纳米线,形成反应活性位置,促使枝状结构的生成。利用室温光致发光谱(PL)和PL寿命谱研究了这种纳米结构的PL性能,发现这种纳米结构存在三个发光峰:峰位分别为380 nm、414 nm和434 nm。这些发光峰与氧缺陷有关,枝状结构能增强380和434 nm发光峰。 (3)利用热蒸发法在硅片表面形成了均匀的孔状结构,孔的直径为100-500nm,研究表明这些孔是由锡颗粒腐蚀硅表面形成的。这种方法制备过程简单且无污染。多孔结构由二氧化硅组成,室温PL谱表明在402 nm处存在发光峰,这个发光峰与氧缺陷有关。根据孔的形成机理,我们利用快速热处理法在硅片表面形成了直径为20-120 nm的孔。通过控制硅片表面锡膜的厚度和热处理的时间,可以控制孔的直径。这种方法形成的孔直径更均匀,能耗更小。 (4)利用CVD法在镍片、泡沫镍、镍网和镀镍硅片表面制备了直径均匀的硅化镍纳米线。硅化镍纳米线由底部粗纳米线和顶部细纳米线两部分组成。降低生长温度、减小反应气体中硅烷浓度以及延长反应时间有利于细纳米线的生成。采用合适的生长参数可以得到阵列化生长的硅化镍纳米线,这种纳米线阵列具有很好的场发射性能,其场增强因子达到4280。在泡沫镍上生长的硅化镍纳米线,由于其具有高的比表面积,良好的导电性,可以很好的降低由于充放电引起的材料结构的破坏,因此具有良好的锂离子电池性能。20次循环后,600℃生长的样品的容量为0.233 mAh/cm~2,容量保持率大约为50.7%;650℃样品的容量为0.114 mAh/cm~2,容量保持率大约为44.2%。通过对各个生长因素对产物影响的系统研究,我们用镍原子扩散控制的生长机理解释了硅化镍纳米线的生长过程。用热蒸发法,制备了硅化铁纳米线。降低反应温度和实验中氩气流量,延长反应时间,可以得到二氧化硅纳米管。


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