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一维金属氧化物纳米材料的气相合成与发光性能研究

苏勇  
【摘要】:一维纳米材料不仅是研究电、光、磁、热等基本物理性质尺寸与维度依赖的理想体系,而且可以作为连接与功能组元在“由下至上”设计与构建新一代电子、光电器件中发挥不可替代的作用。虽然一维纳米材料的研究已经取得了长足进步,在短短的十几年间就完成了由材料制备向原型器件的跨越,但如何在形貌、排列、成份、结构以及性质上可控制备一维纳米材料,依然是一个很大的挑战,而一维纳米材料的可控制备是其应用于纳米器件的前提和基础。围绕着一维纳米材料的可控合成及其物性,本文开展了一系列的研究工作,主要的研究工作及结果如下: 1. Ga_2O_3/In_2O_3三维纳米分级结构研究 通过简单的气相合成方法得到了自组装的氧化镓纳米棒和氧化铟纳米结构,该结构是带有四次对称或六次对称的新型三维异质纳米分级结构。主干氧化铟纳米结构是通过镓催化的VLS生长机制来合成的,然后又充当模板,使氧化镓通过该模板形成氧化镓纳米棒。所合成的Ga_2O_3/In_2O_3异质纳米分级结构呈现出一个强烈的蓝色发光峰,约在494nm(2.51eV)处。 2.链球状In_2Ge_2O_7和ZnGeO_3的合成与发光性能研究 在没有使用催化剂的情况下,用简单的热蒸发方法成功地合成了大量的In_2Ge_2O_7纳米带、链球状In_2Ge_2O_7芯/非晶GeO_2壳纳米电缆和链球状GeO_2/ZnGeO_3晶体结构。利用X射线衍射、扫描和高分辨透射电镜表征合成出的产物。In_2Ge_2O_7纳米带具有层状的钪钇石型(Sc_2Si_2O_7)结构,其生长过程是基于气-固生长机制,生长方向是[210],在室温光致发光光谱中可以观察到一个强而且很宽的在410nm处的发光峰。In_2Ge_2O_7/GeO_2纳米电缆的生长过程是基于气-固生长机制,链球状纳米电缆的芯部是单晶In_2Ge_2O_7纳米线,直径大概是30nm,壳层是非晶GeO_2的链状结构,PL谱经过拟合可以得到四个发光峰,分别是401 nm、448.5 nm,、466.5 nm和491 nm。链球状GeO_2/ZnGeO_3产物主要由GeO_2组成,另外还混有少量的ZnGeO_3,该链状结构包含两个部分:椭球部分和直线部分,电子能谱分析表明该结构的不同部分由不同的成分组成,室温光致发光谱显示所合成的结构有一个很强的488.5纳米处的发光峰。 3. In掺杂ZnO和In掺杂Ga_2O_3纳米材料的制备 采用热蒸发方法首次合成了在纳米线径向上具有周期纳米孪晶结构、高掺杂浓度的单晶ZnO纳米线,并提出一种结合VLS机制和∑3孪晶界的141°凹角模型解释了纳米线的生长。光致发光的测量发现掺杂ZnO纳米带的紫外(UV)发光峰相比未掺杂的样品明显红移并且展宽。认为发光峰的红移归结于半导体能隙的缩窄,而展宽则归结于非均匀掺杂及掺杂导致的带尾态的影响。 在1000℃温度条件下,通过热蒸发金属Ga和In_2O_3的混合物,合成了In掺杂Ga_2O_3“Z”字型纳米线和未掺杂的Ga_2O_3纳米线。这些纳米线的生长过程是基于气-固生长机制。研究显示直径均匀的纳米线直径大约为100nm,而“Z”字型纳米线直径约为几百纳米。在室温光致发光谱中,只观察到一个强而宽的发光带,中心位于457nm处,属于绿光区,是由氧空位和镓氧空位对的复合辐射发光引起的。 4.自催化生长ZnGa_2O_4和Zn_2SnO_4纳米线 采用气相法成功地制备出尖晶石矿(立方)结构的三元氧化物ZnGa_2O_4的纳米线。在产物中发现这种结构的单晶ZnGa_2O_4的纳米线,直径较为均匀,沿[111]方向生长,通过对ZnGa_2O_4纳米线生长机理的深入研究,提出一种自催化生长机制来解释三元氧化物ZnGa_2O_4纳米线的生长。同样,在没有使用任何衬底和催化剂的情况下,采用热蒸发法合成了大量的Zn_2SnO_4纳米线结构,HRTEM测试表明产物拥有良好的单晶结构,[311]是纳米线的主要生长方向,自催化VLS生长机制被认为是纳米线的主要生长机理。在室温下的Zn_2SnO_4纳米线光致发光谱显示,该种纳米材料具有一个较宽的发光带,发光峰中心的峰值为580nm。 5. Al_2O_3/SiO_2、ZnS/SiO_2同轴纳米异质结 通过热蒸发法成功合成了大量具有周期孪晶结构的Al_2O_3/SiO_2同轴纳米线异质结和ZnS/SiO_2同轴纳米电缆。Al_2O_3/SiO_2同轴纳米线异质结的生长过程是基于气-固生长机制,研究表明这种具有两层结构的纳米线线径均匀,直径范围大约在100-150nm之间。其中芯部为直径约为50nm的具有孪晶结构的Al_2O_3纳米线,外层为非晶SiO_2外壳。在室温测得的PL谱经过拟合可以得到三个发光峰,分别是364 nm、398 nm和442 nm。ZnS/SiO_2同轴纳米电缆的ZnS芯具有典型的立方闪锌矿结构并有大量孪晶和层错的出现,而外面包裹的SiO_2外壳则为非晶态。根据ZnS和SiO蒸发温度的不同以及产物的结构特点,认为首先形成的是ZnS芯,然后以形成的ZnS芯为模板形成外面的SiO_2非晶外壳。最后在室温测得的PL谱经过拟合可以得到四个发光峰,548nm、614nm、649nm和670nm。这些发光峰主要是由于结构中自活动中心、氧空位和空隙以及成分的不均匀而导致的。


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