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硒、碲及其化合物纳米线的液相化学合成和电子器件性能的研究

陶洪  
【摘要】: 第VI族元素硒(Se)、碲(Te)是具有优异的光电导特性、压电特性和非线性光学特性等一系列特异性质的窄带隙半导体。将它们掺杂于Si等半导体中,能大大提高元件的运算速度;将它们作为模板通过简单的金属盐水溶液反应即可转化为CdSe、Ag2Se、HgCdTe、CdTe等功能材料用于制备热电元件、光电导元件、压电器件、太阳电池模组等。因此,在纳米技术快速发展的今天,发展Se、Te纳米结构的简单、廉价、易于规模化生产的制备方法和研究它们的电子器件特性,无疑具有十分重要的意义。 自从2001年Xia小组使用液相还原反应路线生长Se和Te纳米线以来,因为其相对较低的反应温度和较为温和的反应过程,并且不需使用昂贵复杂的设备和面积有限的衬底,即可以获得高纯度高结晶性的纳米结构,表现出很好的规模化生产前景,因此得到人们的广泛重视。 在本文中,我们采用液相还原反应路线,研究了Te纳米线的可控合成方法,首次制备了Se/Te异质结纳米线,发展了Te纳米线的绿色化学合成方法;并以“绿色”Se、Te纳米线为模板合成了Cu3Se2、Ag2Te纳米线和Te/Ag2Te异质结纳米线;制备了Se、Te、Ag2Te单纳米线场效应晶体管(FET)和Cu3Se2、Te/Ag2Te纳米线电子器件并对其性能进行了表征。取得了以下主要成果: 1、使用水合肼在SDBS、SDS、NPE等表面活性剂辅助下,还原原碲酸合成了超细Te纳米线。实验表明,不同的表面活性剂对Te纳米线产物的形貌有着显著的影响,用SDBS作为表面活性剂可以合成单分散的超细Te纳米线。在此基础上,研究了SDBS作表面活性剂时反应条件对纳米线产物的影响,发现随着表面活性剂浓度的增加,Te纳米线产物的直径减小而长度变长,前驱体浓度的增加亦会导致纳米线直径的减小和长度的变长,这些规律使我们得以通过控制表面活性剂和前驱体的浓度来调节产物Te纳米线的直径和长度。 2、以Te纳米棒为晶种,首次合成了Se/Te异质结纳米线。使用较短的Te纳米棒为晶种,可以生成V型的异质结纳米线,其角度会随Se-Te投料比的改变而规则变化;使用较长的Te纳米棒为晶种,会生成直线型的异质结纳米线。并基于实验结果,对异质结纳米线的生长机理进行了初步的探讨。 3、绿色环保是当今世界的主流,我们扩展了Li等人的绿色化学方法生长Se纳米线的合成路线,使用无毒无害的抗坏血酸还原剂和β-环糊精模板,用水热法生长了Te纳米线,并考察了β-环糊精模板和温度等反应要素对产物形貌的影响,讨论了在此路线中纳米线的生长机理; 4、考察了前述“绿色”Se、Te纳米线的电子输运特性。首次制备了Se纳米线FET,并获得了30cm2V-1s-1的迁移率;而Te纳米线FET的迁移率达到299cm2V-1s-1,比Liang等最近报道的第一个Te纳米线FET的迁移率提高了一倍,并且具有很好的可重复性和稳定性,并对纳米线的纯度、结晶性、表面附着物和电极接触等因素对纳米线FET器件性能的影响进行了研究和讨论; 5、使用“绿色”Se、Te纳米线为模板,在水溶液中与金属盐反应得到了Cu3Se2、Ag2Te纳米线和Te/Ag2Te异质结纳米线,并对其电子器件进行了制备和表征。结果表明,Cu3Se2在不同的温度下存在两个相,其两相的电阻率几乎相差8个数量级,利用这一特性可以制备成挥发性存储器;Ag2Te是一种n型半导体纳米线,在我们的单纳米线器件中,得到了31.8cm2V-1S-1的迁移率;Te/Ag2Te异质结纳米线表现出明显的整流特性,整流比大约为95。


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