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特殊形貌一维半导体纳米材料制备及形成机理研究

刘建雄  
【摘要】:除了普通的一维纳米材料(纳米线、纳米棒、纳米带、纳米管)外,形状复杂以及通过组装简单一维纳米材料所形成的形貌特殊的一维纳米结构,由于其所具有的奇特物性以及在未来光电子纳米器件、化学催化、电化学、纳米机械等诸多领域的潜在应用前景,已成为目前物理、化学、材料等学科领域关注的前沿和热点之一。 由于特殊形貌的一维纳米材料如同轴纳米电缆、纳米材料异质结(例如纳米线与纳米线、纳米线与纳米管、纳米管与纳米管等)的潜在应用价值,其制备方法越来越引起研究者关注。本文以制备形貌特殊一维半导体纳米材料为目的,将制备纳米材料的化学气相沉淀法、模板法、固态反应法、化学刻蚀法等方法结合起来,制备出了“铝酸锌纳米管阵列”、“铝酸锌/氧化锌复合纳米管阵列”、“多通道铝酸锌纳米管”、“氧化锌/铝酸锌复合纳米管与碳纳米管的异质结”、“CdS纳米线/碳纳米管异质结阵列”及“锯齿状Sn02纳米线”。本文的主要研究内容和创新点如下: 1、制备出了“铝酸锌纳米管阵列”、“铝酸锌/氧化锌复合纳米管阵列”及“氧化锌/铝酸锌复合纳米管与碳纳米管异质结阵列”。 通过氧化铝模板电沉积金属锌纳米线,对锌纳米线在300℃-350℃退火40小时,在680℃-710℃高温退火1小时,再经过氢氧化钠不同时间的刻蚀处理后,得到了“铝酸锌纳米管阵列”和“铝酸锌/氧化锌复合纳米管阵列”。通过对铝酸锌纳米管制备机理进行分析,确定了成管主要原因是由于氧化锌与氧化铝之间的界面扩散反应(柯肯特尔效应)。通过分析确定了影响制备过程的主要因素为氧化铝模板的尺寸、高温退火时间及氢氧化钠刻蚀条件等,通过对这些因素的控制,可实现“铝酸锌纳米管阵列”和“铝酸锌/氧化锌复合纳米管阵列”的可控制备。在制备得到氧化锌纳米线基础上,采用化学气相沉淀法组装碳纳米管,得到了“氧化锌/铝酸锌复合纳米管与碳纳米管异质结阵列”。 2、首次制备得到了大量形貌相同结构特殊的“多通道铝酸锌纳米管”。该结构内部由7个相互平行的纳米通道组成,外径为450纳米左右,多通道纳米管外表面由相互平行的多个半圆柱面组成,在可视范围内多通道纳米管长度达到20μm。“多通道铝酸锌纳米管”制备条件为:模板电沉积金属锌纳米线,在300℃~350℃低温退火40小时,在680℃-710℃高温退火15小时,最后采用氢氧化钠溶液对样品进行选择性刻蚀处理。本文通过形成机理分析认为制备得到“多通道铝酸锌纳米管”的主要原因是由于NaOH溶液的选择性刻蚀,即在铝酸锌晶界及亚晶界处能量高,优先被氢氧化钠溶液刻蚀。据此确定制备“多通道铝酸锌纳米管”的关键是在氧化铝模板组织中存在大量直径相等的亚晶粒。由于“多通道铝酸锌纳米管”具有较高的比表面积和特殊的形貌特征在化学催化、发光等方面有潜在应用价值。 3、制备得到了"CdS纳米线/碳纳米管异质结阵列”及“碳纳米管/CdS纳米线/碳纳米管异质结阵列”。利用制备的氧化铝模板,采用电沉积方法得到CdS纳米线,在此基础上采用化学气相沉淀法制备碳纳米管,得到了“CdS纳米线/碳纳米管异质结阵列”及“碳纳米管/CdS纳米线/碳纳米管异质结阵列”。检测表明异质结中CdS纳米线为单晶结构,碳纳米管为层状结构。CdS是Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体中最有应用价值的材料,具有显著的光电效应。碳纳米管具有独特的电学、光学、力学性质。由这两种材料组装的异质结阵列,将在光电子纳米器件等方面具有重要的潜在应用价值。 4、制备得到了单晶的锯齿状SnO2纳米线,并对其光学性能进行了研究。利用化学气相沉淀法以金属Sn粉末作为原料制备得到了具有单晶结构的锯齿状Sn02纳米线,该锯齿状纳米结构在[101]和[101]方向上周期性变化生长,锯齿的边长基本相等,在同一根纳米线上其宽度保持不变。样品中锯齿的周期在2μm-6μm之间变化,纳米线最长达到120微米。锯齿状Sn02纳米线室温下在373nm,421nm和477nm波长处存在三个较强的发光峰。 本文将不同纳米材料制备方法有机结合,制备出几种特殊形貌的复杂一维纳米材料,为制备复杂形貌纳米材料提供了一种新途径,为探索纳米材料特殊性能奠定了基础。


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