低維半導體能量轉(zhuǎn)換材料的可控組裝及物理力學性能研究.pdf

1、熱電、光電能量轉(zhuǎn)換材料是構(gòu)建綠色能源系統(tǒng)的重要基礎，但目前這些材料的能量轉(zhuǎn)換效率普遍較低?；诩{尺度材料結(jié)構(gòu)局域場與外場間特異的多場耦合效應來實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)化是當前科技發(fā)展的重要方向。本文從能量轉(zhuǎn)換材料的可控制備出發(fā)，倚重實驗并與理論結(jié)合，開拓試驗方法和技術(shù)，探索提高熱電、光電材料性能的有效途徑，取得了如下進展：
　　 (1）PbTe納米線的合成、性能表征與理論計算針對PbTe納米材料在熱電領域的重要應用，且目前合成出的PbTe

2、 納米線的直徑均大于60 nm，根據(jù)理論預測：隨著納米線直徑的減小，其熱電性能會得到顯著提高，本文開發(fā)了一種新的利用兩步水熱法體量合成PbTe 納米線的可控合成方法，以Te 納米線作為原位模板、Pb(NO3)2作為另一種前驅(qū)體，合成了直徑小于PbTe 激子玻爾半徑(46 nm)、平均直徑為30 nm的均勻納米線。研究發(fā)現(xiàn)，在不同的反應溫度下會生長不同結(jié)構(gòu)的納米線：在100 ℃水熱條件下獲得了光滑的PbTe 納米線，在180 ℃水熱條件下

3、獲得念珠結(jié)構(gòu)的PbTe 納米線。并給出了兩種納米結(jié)構(gòu)的生長機制，首次發(fā)現(xiàn)了半導體納米結(jié)構(gòu)在化學轉(zhuǎn)變過程中存在非拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。測量了熱電傳輸性能，發(fā)現(xiàn)兩種PbTe納米線制成薄膜的Seebeck系數(shù)均明顯高于體材：光滑納米線高出137％，而念珠結(jié)構(gòu)納米線高出16％，但這兩種納米結(jié)構(gòu)制成薄膜的電導相對于體材都有明顯的減小。單根PbTe 納米線，尤其是單根念珠結(jié)構(gòu)的PbTe納米線的熱電性能應該更優(yōu)。
　　 同時，首次利用基于密度泛函的量

4、子力學理論計算研究了尺寸相關的PbTe 納米線的電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米線直徑的減小，平均單個電子的局域化態(tài)密度急劇增加。當納米線直徑為0.326nm時，局域化態(tài)密度比相應體材高出2個數(shù)量級以上，這說明：繼續(xù)減小PbTe納米線的直徑還可能顯著提高其熱電性能，在保持電導不變的同時降低熱導，從而實現(xiàn)熱電品質(zhì)因子ZT的大幅提高。
　　 (2）CdS納米結(jié)構(gòu)的超聲微波化學法合成、相變和光學特性微波加熱和超聲作用是兩種廣泛使用的合成技

5、術(shù)，各有優(yōu)缺點。本文自主開發(fā)了一種超聲微波化學反應法，自行研制了設備和申請了相應專利，在微波和超聲共同作用環(huán)境中，克服了單一微波法合成物均勻性較差以及容易炭化等不足。并在兩場協(xié)同作用環(huán)境下，成功地合成了尺寸均勻的單晶CdS 納米花朵。光學研究發(fā)現(xiàn)，合成的納米花朵比普通方法合成的納米線、納米粒子的發(fā)光峰藍移近100 nm，具有良好的紫外發(fā)光特性。
　　 在超聲微波化學反應環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)了無機鹽NaCl 誘導的CdS 納米粒子從立方相

6、到六方相的結(jié)構(gòu)相變，這一相變通過氯離子抑制CdS 納米粒子的(111)晶面和加速(100）和 (101）晶面的生長而得到合理解釋。研究發(fā)現(xiàn)，單一微波法合成的產(chǎn)品也有類似的結(jié)構(gòu)相變，但其均勻性較差。使用超聲微波化學反應，在CdS 納米粒子的結(jié)構(gòu)相變過程中，納米粒子的尺寸可控性顯著提高。該研究提出了一種新的低溫低壓下半導體納米結(jié)構(gòu)的相控制合成方法。
　　 (3）ZnO納米線陣列的液相控制合成、光學及力學行為基于納尺度器件的潛在應用前

7、景及多場耦合特性，利用水熱法合成了直徑為10~250nm，長度大于10μm的ZnO納米線陣列。首次研究了退火溫度對ZnO納米線陣列光學特性的影響，在450 ℃下，Ar氣中退火處理對提高發(fā)光特性是有利的。經(jīng)退火后拉曼譜圖在328cm-1處出現(xiàn)了相應于ZnO二階拉曼散射的特征峰。這一研究為以后半導體發(fā)光材料光學性質(zhì)研究提供了新的途徑。
　　 將掃描探針技術(shù)與微硅結(jié)構(gòu)加工技術(shù)相結(jié)合，測量了單根ZnO 納米線懸空搭建于微硅溝道上的力學特