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纳米压痕法研究单根ZnS纳米带的光机械效应

余功成  
【摘要】: 作为一种重要的直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体(300 K时,禁带宽度为3.66eV)和发光材料,ZnS因在平面显示器、电致发光器件、红外视窗、传感器和激光等领域存在巨大的应用前景,因而引起了人们的广泛关注。ZnS一维纳米材料,如纳米带和纳米线,呈现出了良好的光电性能,因此它们能被用来制造电子、光电和激光纳米器件。在利用一维纳米结构制造纳米功能器件时,一维纳米结构的力学失效会导致整个器件的故障或失效,因此准确测量它们的力学性能是非常重要的。本文通过热蒸发法制备了ZnS纳米带,并对其晶体结构和表面形貌进行了表征。我们通过搭建的紫外光纳米压痕测试系统,测量了ZnS纳米带在无光与紫外光照下的力学性能,观测了ZnS纳米带的光弹性效应和光塑性效应,并且探讨了ZnS纳米带光弹性效应和光塑性效应的物理机制。本论文的主要内容如下: (1)首先,介绍了纳米材料与纳米科技的发展历程,概述了ZnS纳米材料在不同领域里的应用情况与当前的研究现状。然后,介绍了纳米压痕测试技术的发展历程和其在纳米材料研究领域取得的研究成果,详细阐述了利用纳米压痕方法测量弹性模量和硬度的原理。最后,对本论文的研究内容做了简单介绍。 (2)用热蒸发法制备了ZnS纳米带,通过X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和纳米压痕仪对其晶体结构和表面形貌进行了表征。ZnS纳米带的XRD图表明其属于六角纤锌矿结构,FE-SEM图表明其长度在100-200μm之间,TEM、AFM和纳米压痕仪形貌图表明部分纳米带存在锯齿状侧面,厚度在100 nm左右。 (3)用纳米压痕仪测量了ZnS纳米带在无光与紫外光照下的载荷—位移曲线。通过比较ZnS纳米带在无光与紫外光照下的弹性模量,在宽厚比为3.2-4.1范围内的ZnS纳米带上发现了负光弹性效应,在宽厚比为4.9-9.6范围内的ZnS纳米带上发现了正光弹性效应。ZnS纳米带正光弹性效应的物理机制可以用纳米带内光生载流子所导致的表面效应和电子应变来解释。负光弹性效应可以用光照ZnS纳米带时产生的热效应和弹性常数减小来解释。 (4)通过比较ZnS纳米带在无光与紫外光照下的硬度,我们发现ZnS纳米带存在正光塑性效应和负光塑性效应,并且光塑性效应与纳米带的宽厚比有关。负光塑性效应存在于宽厚比为3.2-4.1范围内的ZnS纳米带上,正光塑性效应存在于宽厚比为4.9-9.6范围内的纳米带上。ZnS纳米带的光塑性效应与宽厚比的关系可以用佩尔斯势增加和光照增强位错滑移这两种竞争机制来解释。


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