一維硅基納米材料的水熱制備與表征.pdf

1、由于與現(xiàn)有硅技術(shù)有良好的兼容性，一維硅基納米材料有潛力成為硅納米器件的基材，硅納米管作為重要的硅基納米材料之一，引起了人們極大的研究興趣。由于硅為sp3雜化，易形成實(shí)心結(jié)構(gòu)，故在實(shí)驗(yàn)上難以合成。因此，硅納米管的研究在國(guó)際上都尚處于起步階段。另外，硅納米線、碳化硅納米管/棒等一維硅基納米材料由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能，也成為了研究熱點(diǎn)之一。本論文以一氧化硅和碳化硅為基礎(chǔ)硅源，在自組生長(zhǎng)硅納米管、硅納米線、碳化硅納米管及碳化硅納米棒的水熱制備

2、與表征、生長(zhǎng)機(jī)理及光致發(fā)光PL性能等方面展開(kāi)了較深入的研究，研究具有基礎(chǔ)性和前瞻性，兼具重要的理論意義和潛在應(yīng)用前景。 　　以一氧化硅為原料，未使用金屬催化劑及模板，采用水熱法于470℃、6.8MPa制備出了自組生長(zhǎng)硅納米管。研究表明硅納米管的生長(zhǎng)頭部為閉合結(jié)構(gòu)，由內(nèi)部數(shù)納米的中空結(jié)構(gòu)，中部為壁厚不大于5nm的晶體硅管壁結(jié)構(gòu)以及厚度低于2nm的無(wú)定形二氧化硅外層所組成。采用5wt％的HF酸對(duì)自組生長(zhǎng)硅納米管的穩(wěn)定性研究表明HF酸

3、可以去除硅納米管的氧化物外層，只剩下晶體硅納米管，說(shuō)明自組生長(zhǎng)硅納米管是一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因而使其應(yīng)用成為可能。采用硅納米管Si-H自組生長(zhǎng)模型解釋了硅納米管的形成與生長(zhǎng)，研究表明硅納米管的穩(wěn)定性與其生長(zhǎng)過(guò)程密切相關(guān)。樣品的Raman及IR結(jié)果進(jìn)一步證明所得納米管是一種晶體硅納米管，外層主要為二氧化硅。PL結(jié)果表明樣品在436nm處具有較強(qiáng)的PL性能，發(fā)射范圍400-500nm，發(fā)射峰不對(duì)稱，并出現(xiàn)了不均勻?qū)捇?　　對(duì)不同水熱條件

4、一維硅納米材料的系統(tǒng)研究表明470℃、6.8-8MPa是目前制備自組生長(zhǎng)硅納米管較合適的水熱條件。470℃時(shí)，隨著壓力和保溫時(shí)間的增加，硅納米管的直徑從小于20nm增加到了約100nm，壓力增至9.5MPa以上時(shí)，所得一維硅納米材料為實(shí)心結(jié)構(gòu)。以硅及二氧化硅為硅源，所得樣品只含有近圓形或不規(guī)則納米顆粒，而以硅粉為硅源可制備出長(zhǎng)數(shù)微米、直徑約100nm的硅納米鏈。 　　水熱條件下在硅片上可沉積出中間為硅核、外層包覆無(wú)定形二氧化硅的

5、核殼結(jié)構(gòu)硅納米線，直徑數(shù)百納米、長(zhǎng)度大于10μm。硅納米線的Raman結(jié)果表明在519cm-1處有一Raman特征峰，并出現(xiàn)了不對(duì)稱寬化，PL測(cè)試表明在754.1nm處有強(qiáng)烈的PL特征峰。采用氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)理解釋了沉積于硅片上硅納米線的形成與生長(zhǎng)，進(jìn)一步研究表明470℃、9-14MPa及保溫48h是目前較優(yōu)的工藝參數(shù)。以硅及二氧化硅為硅源的研究表明只能在硅片上沉積出不同尺寸的球狀及不規(guī)則顆粒，說(shuō)明一氧化硅是水熱條件下在硅片上沉積硅納米

6、線的較合適的硅源。 　　以碳化硅與二氧化硅為原料，在470℃、8MPa時(shí)制備出了直徑約10nm、長(zhǎng)微米級(jí)的碳化硅納米管。HRTEM研究表明納米管由低于2nm的中空內(nèi)孔、多壁碳化硅晶體及厚度低于1nm的無(wú)定形硅氧化物外層組成。TEM、XRD及Raman光譜表明樣品由β-SiC及殘余碳納米顆粒組成。以自組生長(zhǎng)硅納米管為模板，碳原子部分取代硅納米管中的硅原子解釋了碳化硅納米管的形成與生長(zhǎng)。除了正常形態(tài)的碳化硅納米管外，還觀察到了少量橢

7、圓形中空碳化硅納米球和竹節(jié)狀碳化硅納米管，研究認(rèn)為碳化硅納米管的限制作用導(dǎo)致了碳化硅納米球的形成，納米管內(nèi)壁的缺陷誘導(dǎo)了竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)的形成。樣品的PL光譜表明在441nm處具有較強(qiáng)的PL發(fā)射，發(fā)射范圍400-500nm，并出現(xiàn)了不均勻?qū)捇?　　通過(guò)改變碳化硅與二氧化硅的配比，在470℃、9.5MPa制備出了直徑約40nm、長(zhǎng)度1μm的單晶碳化硅納米棒。測(cè)試結(jié)果表明碳化硅納米棒由β-SiC單晶構(gòu)成，樣品中含有殘存的碳納米顆粒，根據(jù)