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Bi属半导体纳米材料的调控合成及强磁场诱导生长

徐永斌  
【摘要】: 纳米材料的调控合成是纳米科技发展的重要组成部分,是研究纳米结构性能及其应用的基础。本论文围绕Bi属半导体纳米材料的液相调控合成进行研究,探讨了外加强磁场作用于抗磁性物质生长习性的影响;利用单源前驱体手段,调控合成了晶形可控的Bi2S3纳米晶和Sb2S3微米晶,考察了产物性能与尺寸和形状的依互性关系;通过模板法辅助合成,获得大量Bi2Te3纳米片,研究其晶体二维生长特性与晶体结构的内在联系;此外,还发展了低温湿化学合成Bi2Te3基n/p位掺杂固溶体技术,合成结晶性较好的Bi2(Te,Se)3和(Bi,Sb)2Te3纳米晶。论文主要内容归纳如下: 1.强磁场诱导Bi纳米结构的生长。通过将强磁场引入反应体系,诱导Bi纳米结构的一维生长,考察了不同合成条件对产物形貌的影响。并进一步将该思路拓展到一维Te微米结构的合成上。从晶体学的角度出发,理论研究磁场作用非磁性低维体系材料的一维生长效应。结果显示,磁场通过延缓反应的进程,对生长晶面进行修饰,诱导纳米材料基元的一维生长。 2.单源前驱体调控合成Bi2S3纳米结构。从单源前驱体出发,表面剂辅助调控合成Bi2S3纳米棒,通过IR谱图研究表面剂对Bi2S3生长基元的动力学调控作用。并以此为基础提出无模板调控合成手段,合成形貌可控的Bi2S3纳米结构。研究发现,溶剂的包覆效应作用于晶体的生长过程,调控产物生长形貌的变化。进一步的,将该思路拓展到形貌可控Sb2S3微米结构的合成上。合成得到的Bi2S3纳米晶具有宽化的带隙宽度。Bi2S3纳米晶和Sb2S3微米晶的荧光性能显示具有典型的形状依互关系。 3.模板法调控合成Bi2Te3纳米片。利用表面剂辅助水热、溶剂热法调控合成形貌均一的Bi2Te3纳米片。研究表明,Bi2Te3内部复杂键合结构作用于晶体生长过程中的裂解,而表面剂分子(PVP, CTAB)对生长晶面的吸附和解吸附,作用于裂解晶面,动态调控晶体生长过程,获得沿垂直于c轴方向生长的Bi2Te3纳米片。进一步的,人为构造层状结构,利用混合溶剂作用反应过程,大规模合成Bi2Te3纳米片。层状前驱体的引入,首次在酸性条件下合成纯物相的Bi2Te3纳米晶。推翻了仅能在碱性体系中合成Bi2Te3晶体的认识。 4.低温湿化学合成Bi2Te3基n/p位掺杂固溶体。利用低温湿化学手段,大规模合成结晶性较好的Bi2(Te,Se)3和(Bi,Sb)2Te3纳米晶。结果表明, Se位掺杂作用于晶体结构的层间解理,诱导晶体沿垂直于c轴方向生长,获得二维Bi2(Te,Se)3纳米晶。而Sb位掺杂并没有改变晶胞中的键合作用,对产物形貌没有影响。进一步的,反应过程中Sb源的选择是合成(Bi,Sb)2Te3固溶体的关键。


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