硅納米線及硅納米管的水熱法制備及其生長(zhǎng)機(jī)理.pdf

1、準(zhǔn)一維硅納米材料——硅納米線(SiNWs)、硅納米管(SiNTs)是一種新型半導(dǎo)體光電材料，具有量子限制效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)且能與目前的硅芯片技術(shù)相兼容，有望在納米器件中得到廣泛地應(yīng)用。 由于硅原子核外電子傾向于sp3雜化，因而硅原子成核時(shí)很難堆積成管狀結(jié)構(gòu)。盡管理論研究表明在適當(dāng)?shù)臈l件下，硅原子可以發(fā)生sp2雜化，堆積成層，且硅的層結(jié)構(gòu)比碳的石墨層結(jié)構(gòu)更易于彎曲成管，但在目前的實(shí)驗(yàn)條件下要在實(shí)驗(yàn)室合成自組生長(zhǎng)的硅納米管仍然很困難，

2、因而從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)研究硅納米管的自組生長(zhǎng)是目前一維硅納米材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 本研究工作采用超臨界水熱法，以SiO、Si、SiO2、SiC等粉末為硅源、去離子水為反應(yīng)介質(zhì)，在高壓反應(yīng)釜內(nèi)，依靠水的自身膨脹模擬高溫、高壓反應(yīng)條件，通過(guò)控制反應(yīng)釜內(nèi)成核及生長(zhǎng)條件，研究了多種一維硅納米材料自組生長(zhǎng)的工藝條件，研究結(jié)果表明：以SiO為起始硅源、去離子水為反應(yīng)介質(zhì)，成核溫度、壓強(qiáng)分別控制在250℃、4.0MPa，生長(zhǎng)溫度和壓強(qiáng)分別控

3、制在470℃、6.8MPa的條件下時(shí)制備的硅納米管直徑、管徑相對(duì)較大的(直徑約15nm，管徑約4nm)，而成核、生長(zhǎng)的壓強(qiáng)分別控制在4.5MPa和8.0MPa時(shí)制備的硅納米管的直徑、管徑都相對(duì)較小(直徑約11nm，管徑約1nm)；在硅納米管制備工藝條件不變，僅延長(zhǎng)保溫時(shí)間(8h)時(shí)，不能合成一維硅納米材料；成核溫度、壓強(qiáng)分別控制為280℃、6.0MPa，生長(zhǎng)溫度、壓強(qiáng)分別控制為470℃、11.9MPa時(shí)得到是實(shí)心的一維硅納米線；在升溫過(guò)

4、程中，溫度和壓強(qiáng)分別為310℃、9.5MPa附近時(shí)調(diào)節(jié)加熱功率，使生長(zhǎng)條件分別控制在470℃、19.0MPa條件下時(shí)，沒(méi)有一維硅納米材料生成；以SiC和SiO2的混合粉末為起始原料時(shí)，在類(lèi)似于硅納米管的生長(zhǎng)條件下制備了SiC納米管(直徑約13nm，管徑約1～2nm)，而僅以SiC為起始原料，在類(lèi)似的工藝條件下沒(méi)有制備出硅的一維納米材料；以SiC和SiO的混合粉末為起始原料，在類(lèi)似于硅納米管、硅納米線的水熱生長(zhǎng)工藝條件下，也沒(méi)有一維的硅納

5、米材料生成；以硅粉為硅源，去離子水為反應(yīng)介質(zhì)，溫度和壓強(qiáng)分別控制為400℃、8.1MPa的條件下時(shí)，制備的物質(zhì)類(lèi)似于枝蔓晶，但該物質(zhì)結(jié)晶效果不好；溫度和壓力分別控制為470℃、9.7MPa的生長(zhǎng)條件下時(shí)制備的是硅的納米粒子鏈狀物，該納米粒子鏈具有較好的結(jié)晶效果。 采用透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、能量色散譜儀(EDS)、選區(qū)電子衍射(SAED)、X射線衍射儀(XRD)等檢測(cè)手段研究了所制備的一維納米材料的結(jié)構(gòu)

6、及其化學(xué)組成。實(shí)驗(yàn)所制備的一維硅納米材料既不同于在模板法中依靠硅原子的雜亂堆積得到的硅納米管，也不同于激光燒蝕、氣相沉積等方法制備硅納米線。主要區(qū)別在于：在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有引入催化劑，水熱法制備的硅納米線、硅納米管的生長(zhǎng)過(guò)程完全是一個(gè)硅原子的自組裝配過(guò)程，得到的硅納米管、硅納米線具有很好的晶體結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)機(jī)理不同于傳統(tǒng)的VLS生長(zhǎng)機(jī)制。 結(jié)合水熱結(jié)晶熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們提出了超臨界水熱條件下制備硅納米線、硅納米管、碳