新型半導體亞穩(wěn)納米結構的脈沖激光誘導固液界面反應制備、結構和物性研究.pdf

1、從物質形成的角度來看，人們的“物理”“化學”世界是由熱力學和動力學兩者構成的世界。如果一個體系在熱力學上是不穩(wěn)定的(例如金剛石)，同時又需要一個更長的時間才能達到它最穩(wěn)定的構型，那么這樣的體系在動力學上可能被認為是穩(wěn)定的；或者它們也被認為是“亞穩(wěn)的”。雖然熱力學是導致最終低能態(tài)本質上不可抵抗的驅動力，但人們能夠使用動力學作為手段，令這種驅動緩慢下來，以便在一段時間內(nèi)使物質達到某一特定亞穩(wěn)相目標。 脈沖激光誘導液固界面反應(Pul

2、sed—laser induced liquid—solid interface reaction，PLIIR)，由于具有瞬態(tài)高溫高壓的特點，使其在亞穩(wěn)相納米材料的制備上表現(xiàn)出通?；谄胶鉄崃W方法所不具備的優(yōu)越性。本文利用PLIIR方法制備了多種具有亞穩(wěn)結構或亞穩(wěn)形貌的新型半導體納米結構，并通過系統(tǒng)表征這類亞穩(wěn)納米材料的結構，研究了其相應的物理化學性質，并提出了相關的生長機制。實驗和理論研究表明PLIIR的創(chuàng)新點在于： (1)

3、高溫高壓相合成。在常溫常壓下，利用脈沖激光在液固界面產(chǎn)生的高溫高壓高密度等離子體中的物理和化學反應來合成高溫高壓相，這意味著PLIIR在制備亞穩(wěn)相方面具有其獨特的優(yōu)勢。 (2)納米尺度限制。利用液體的束縛，使得等離子體淬滅時間通常在納秒量級，以限制制備的亞穩(wěn)相尺寸在納米尺度內(nèi)，這表明PLIIR實際上打開了一扇通往納米材料制備的奇異之門。 (3)化合物合成。特殊反應空間使得制備的納米晶可以是化合物，即組份分別來自于固體和液

4、體，從而為科學家針對某些方面的需要而對所合成的納米晶進行有效的組份設計提供了方便。 本論文主要研究工作及成果創(chuàng)新點概括如下： ◆采用脈沖激光誘導固液界面反應方法實現(xiàn)了在常溫常壓下對亞穩(wěn)納米相的捕獲，并對納米晶從穩(wěn)定相向亞穩(wěn)相轉變的物理機制進行了研究。 采用PLIIR反應方法，首次制備出一種單分散的具有體心立方相結構的碳納米晶，即理論上預言的超密態(tài)碳；實現(xiàn)了六方相GaN晶體向立方相GaN納米晶轉化的固—固相變；通過

5、電勢場內(nèi)液相環(huán)境激光燒蝕沉積技術制備了具有亞穩(wěn)相四方結構的鍺納米晶。這些研究表明，脈沖激光誘導固液界面反應方法是一種捕獲亞穩(wěn)納米相的有力工具。 ◆發(fā)展了無機鹽輔助的脈沖激光誘導固液界面反應方法，并采用該方法來控制制備過程中亞穩(wěn)形貌的形成，首次制備出了一種具有亞穩(wěn)相閃鋅礦結構的硅準納米方塊，和一種體心立方結構的碳準納米方塊。 為了探索可控生長，我們發(fā)展了無機鹽調(diào)控的激光誘導固液界面反應技術，并將其應用于第Ⅳ主族元素中的碳、

6、硅半導體納米結構的制備研究中，在實驗上首次制備出了一種新穎的硅準納米方塊和一種碳準納米方塊。通過細致的結構表征與物性分析后表明：所制備的硅準納米方塊和碳準納米方塊分別具有亞穩(wěn)相閃鋅礦結構和一種新型的亞穩(wěn)相類C8結構；同時通過陰極射線熒光光譜技術，我們進一步研究了具有類C8結構的碳準納米方塊的發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)它具有藍紫光發(fā)射性能，是一種新型的寬帶隙半導體材料。 ◆發(fā)展了電場輔助脈沖激光誘導固液界面反應方法，通過采用這種技術來調(diào)控所制

7、備納米晶的結構和形貌，分別制備出了兩種不同形貌的二氧化鍺準納米晶體，并在光譜分析中觀察到了對所制備納米結構形貌依賴的發(fā)光行為。 基于可控制備的理念，我們發(fā)展了電場輔助脈沖激光誘導固液界面反應方法。在不添加其他任何化學試劑情況下，通過在高純?nèi)ルx子水中進行的電場輔助的激光誘導固液界面反應，分別制備出了尺寸和形貌分布均勻的方塊狀及類梭子狀二氧化鍺準納米晶體。并且在進一步地對所制備的不同形貌二氧化鍺準納米晶體的陰極射線熒光發(fā)光測試中，我