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镍和氧化镍有序孔阵列的构筑及其性能研究

贾小亚  
【摘要】:纳米技术已经从对纳米材料的合成及其基础性质的探索,发展到利用不同维度纳米材料独特的性质进行生产应用的研究。近年来,纳米材料的新研究热点己逐渐转向二维有序纳米结构阵列的合成及其性质研究。目前,对于二维有序纳米阵列结构的研究已逐渐成为材料科学研究的前沿重要课题,在光学,光子学,光电子器件,磁学,信息科学,传感器,催化,数据存储,热电,生物技术等方面都有着很好的发展应用前景。二维有序纳米阵列结构是纳米材料体系的重要组分,是指在二维空间内选择相应的纳米结构单元(如颗粒、团簇、纳米级孔洞、纳米丝)按一定规律组成的对应结构体系。本论文中采用单层胶体晶体模板技术,利用恒电流沉积、热氧化处理和磁控溅射等方法,合成宏观尺度上有序的纳米孔阵列结构,并研究其结构相关的物性。论文重点探究了有序孔阵列结构的控制与合成方法,探索与阵列体系结构相关的性质。研究的内容如下:1、Ni及Ni-Pt合金有序孔阵列的构筑及磁性研究以聚苯乙烯胶体晶体为模板,采用恒电流沉积的方法在ITO基底上构筑了单质Ni,还在柔性的PET/ITO基底上构筑了Ni和Ni-Pt合金有序孔阵列结构。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、振动样品磁强计(VSM)和磁力显微镜(MFM)表征了样品的结构、组分和磁学特性。结果显示,所制备的单质Ni有序孔阵列结构呈现六方规则排列,磁性分析表明样品为具有较小矫顽力的良好软磁材料,其矫顽力和剩磁率随角度(外磁场与微纳阵列夹角)变化存在一定的规律。结合理论进行分析,单质Ni有序孔阵列本身的形状各向异性是其取得优良磁学性能的重要原因,孔洞形状各向异性和薄膜本身磁晶各向异性的竞争机制是造成其磁性发生变化的物理本质。所制备的Ni-Pt合金有序孔阵列结构可弯曲,其孔同样呈六方规则排列,孔径约为300 nm,孔间距约500 nm,材料中Pt元素的含量约为1.3%。磁性分析表明样品同样为具有较小矫顽力的良好软磁材料,在平行和垂直与磁场方向测得的矫顽力分别为495.77 A/m和770.71 A/m,具有磁各向异性特点。2、二维及三维氧化镍有序孔阵列的构筑及磁性研究以聚苯乙烯胶体晶体为模板,采用电化学沉积与热氧化处理相结合的方法在ITO基底上构筑了二维及三维NiO有序孔薄膜。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和振动样品磁强计考察了样品的形貌、结构和磁学特性。结果显示,所制备的NiO有序大孔薄膜的孔径和孔间距均为500 nm,三维NiO有序大孔薄膜厚度为2.4μm。磁性分析表明二维及三维NiO有序大孔薄膜样品均为具有较小矫顽力的良好软磁材料,具有磁各向异性的特点。3、NiO-ZnO异质结有序孔阵列的构筑及其电学性能研究以聚苯乙烯胶体晶体为模板,利用恒电流沉积与热氧化处理相结合的方法在ITO基底上构筑p型NiO薄膜,在此NiO薄膜衬底上通过磁控溅射制备n型ZnO薄膜,选用合适的生长条件,制备出NiO/ZnO异质结,此异质结构是由下而上依次生长在衬底上的p型NiO有序多孔薄膜和n型ZnO薄膜所构成。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪探究了样品的形貌和结构,利用电化学工作站测量了NiO-ZnO异质结的电学性能。循环伏安测试展示出异质结具有显著的整流特性,表明成功制备了p-n异质结。


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