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Ⅲ族氮化物低维纳米结构的可控制备及生长机理研究

季旭  
【摘要】:为什么同样的原子或分子按同样的晶体结构进行组装,会生长出具有不同表观形态的晶体?内在的晶体结构与外加的生长条件是如何在晶体生长过程中相互作用?不同的晶体形态又是怎样决定了晶体最终的应用?这些是对于材料科学的进步与发展至关重要的问题。研究材料在原子,分子和巨分子尺度上的现象和变化的纳米科学也自然要在解决这三个问题的基础上得以发展。简而言之就是:纳米材料的应用要受制于晶体的尺度与形状。因此获得形貌、尺寸可控的生长条件及理解它们之间的关系是材料学家探索开发新材料的核心任务。本论文主要以Ⅲ族氮化物AIN与InN为研究对象,通过对这两种材料合成条件的控制而得到不同形态的低维纳米结构,并进一步分析了生长条件与形貌、尺寸间的关系,从而得到相应合理的生长机理。主要的研究工作和结论如下: (1)利用简单的化学气相沉积方法制备了AIN多形态六方复杂纳米结构,所得到的纳米结构包括复杂的六方纳米迷宫,六方嵌套式阵列,六方纳米柱阵列以及纳米颗粒膜。相应的生长机理核心是:气-固(VS)生长过程中形核组装与择优生长。形核事件的直接观测结果证实了机理的合理性。铝源(AlCl3)与氮源(NH3)的分压比AlCl3/NH3是关键的生长控制因素,温度在生长过程中的线性变化起到了辅助的控制作用。 (2)利用金催化辅助化学气相沉积方法制备了InN两种生长取向及形态共存的纳米线:1120取向的光滑纳米线与0001取向的周期纳米线。光滑纳米线具有小的直径(~20nm),也就是说线端部是受小尺寸的金颗粒的催化诱导;周期纳米线具有较大的直径(60nm),即线端部诱导的金颗粒较大。生长机理的要点包括:a.受尺寸效应的影响,大直径的纳米线的生长方向主要受控于最低化的界面能,而小直径纳米线则主要受最低化的表面能的影响;b.受尺寸大小影响的合金熔解程度,合金液滴电负势伴随着组分的变化,晶体的不同晶面的不等极化程度以及VS辅助下的气-液-固(VLS)生长都是重要的决定周期纳米线形貌的因素。


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