硅納米線、納米管的制備及相關(guān)物性研究.pdf

1、一維硅納米材料以其特有的光學(xué)、電學(xué)和半導(dǎo)體特性受到國(guó)際上廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已成為納米科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一，而且由于與現(xiàn)代微電子工業(yè)技術(shù)良好的相容性，硅納米線和硅納米管作為新型的低維半導(dǎo)體納米材料有望在納米微電子器件領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。由于硅元素為易于形成線狀結(jié)構(gòu)的Sp3雜化，硅納米管的制備合成比較困難，目前硅納米管的研究仍處于初期階段。本文采用化學(xué)反應(yīng)合成的方法，在簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)工藝下成功制備了硅納米線和硅納米管，并研究了其結(jié)構(gòu)成分、生長(zhǎng)機(jī)理

2、及相關(guān)光學(xué)性能。
　　 本文以SiCl4作為硅源，Zn作為還原劑，在不使用任何催化劑和模板的情況下，通過(guò)SiCl4和Zn之間的簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)，在高壓反應(yīng)釜中成功制備了硅納米管和硅納米線。采用XRD、HRTEM、FESEM、EDS等分析手段表征了產(chǎn)物中硅納米線和硅納米管的成分以及形貌特征，結(jié)果表明，產(chǎn)物大部分為結(jié)晶良好的面心立方硅結(jié)構(gòu)，也存在少量無(wú)定形結(jié)構(gòu)，大量的長(zhǎng)度500nm到1μm，直徑30-50nm的硅納米線和納米管垂直生長(zhǎng)于

3、微米級(jí)薄壁空心球體上，部分基體在處理過(guò)程破壞，硅納米線、管表面光滑，生長(zhǎng)方向均一，選區(qū)電子衍射結(jié)果顯示為非晶結(jié)構(gòu)。通過(guò)氮?dú)馕?脫附等溫線和DFT曲線分析，孔徑主要分布在2.4nm和5.1nm，比表面積為145.003m2/g。
　　 通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果重點(diǎn)分析了工藝過(guò)程中反應(yīng)溫度、保溫時(shí)間和反應(yīng)物之間配比對(duì)硅納米線和硅納米管形貌結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明在達(dá)到金屬熔點(diǎn)以上時(shí)溫度升高有利于SiCl4和Zn的反應(yīng)，但硅納米線和納米管形貌結(jié)

4、構(gòu)粗大，長(zhǎng)度較短，不利于其生長(zhǎng);對(duì)反應(yīng)時(shí)間的對(duì)比分析顯示，SiCl4和Zn的反應(yīng)過(guò)程速度較快，在溫度保持1h時(shí)已基本完成，硅納米線和納米管的生長(zhǎng)較為緩慢，通過(guò)分析表明在自然降溫階段仍在生長(zhǎng)，而在長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境中，硅納米結(jié)構(gòu)存在長(zhǎng)度和直徑明顯增大的現(xiàn)象;反應(yīng)物中SiCl4的比例對(duì)硅納米線和納米管的長(zhǎng)度影響較大，SiCl4比例較大時(shí)長(zhǎng)度可達(dá)1-2μm，但數(shù)量明顯減少，說(shuō)明硅源少時(shí)影響了生長(zhǎng)基體的形成和結(jié)構(gòu)，從而制約了一維硅納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)動(dòng)

5、力。綜合分析，在反應(yīng)物SiCl4與Zn配比為1∶6，反應(yīng)溫度550℃，時(shí)間為5h時(shí)產(chǎn)物的形貌結(jié)構(gòu)最佳。
　　 經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出了硅納米線和納米管的生長(zhǎng)機(jī)理，系統(tǒng)的分析了SiCl4和Zn的反應(yīng)過(guò)程和硅納米線和納米管的生長(zhǎng)過(guò)程。氣相SiCl4在球形鋅顆粒表面發(fā)生反應(yīng)，生成的硅不斷重疊團(tuán)聚最終包覆了鋅顆粒，阻礙了反應(yīng)物之間的繼續(xù)反應(yīng)，這也解釋了最終產(chǎn)物中薄壁球形基體的形成過(guò)程;待反應(yīng)完成后，由于高溫引起的熱應(yīng)力和基體上的表面張

6、力作用，硅納米粒子不斷的自組裝生長(zhǎng)為一維硅納米結(jié)構(gòu);在生長(zhǎng)初期時(shí)，同時(shí)存在于基體表面上的液相ZnCl2可能使一維結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)凹陷，或因夾雜了部分ZnCl2可使邊緣部分生長(zhǎng)較快，最終生長(zhǎng)為硅納米管，這解釋了硅納米管底部粗大的特征結(jié)構(gòu)，而且這種生長(zhǎng)模式也使得硅納米管可同時(shí)生長(zhǎng)為開口閉口兩種形式。
　　 產(chǎn)物的PL光譜表明在388nm處出現(xiàn)的強(qiáng)峰是由產(chǎn)物中較多的小尺寸納米晶導(dǎo)致，認(rèn)為位于425nm處較弱的峰是納米線和納米管中無(wú)定型結(jié)構(gòu)