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对新型、异碳类的功能一维纳米材料合成制备的探索研究是当今纳米科技的最重要的研究方向之一。对这类材料的结构表征及物性(电学、磁学、热学和力学性能)研究是纳米电子学、光电子学和分子电子学器件的应用基础。本论文探索性地利用化学气相沉积工艺(微波等离子体化学气相沉积法和管式炉中的热蒸发冷凝沉积法),在基底上尝试生长硼(B)一维纳米线及纳米管阵列、Fe3O4“纳米金字塔”阵列、VO2纳米薄片和ZnO纳米材料,使用多种手段对这些纳米材料的结构及物理性能进行表征和分析,主要结果如下:
(1)利用碳热还原法,首次在单温管式炉中制备出了大面积的单晶硼纳米线(BNWs)和硼纳米管(BNTs)阵列。利用透射电子显微技术证明其成份为单晶的一维B材料。
(2)高分辨电子显微镜的分析结果表明:所制备的硼纳米管为多壁Boron管,其管壁的层厚约为3.2A,这可能是一种非常优良的新型纳米结构。理论预测表明BNTs有可能具有比CNTs更好的的电学性能,我们初步给出了BNTs的可能结构模型。
(3)讨论BNWs和BNTs可能的生长机理,并分析实验条件对一维B纳米材料生长的影响。使用电子束刻蚀技术,将BNWs样品制成电极,测量出硼纳米线的电导率σ=1.865x10-6(ohm·cm)-1,与块体材料相近。
(4)在单温管式炉设备中使用热蒸发冷凝沉积技术,利用金属锌粉和氧气或空气直接反应,在较低的生长温度下,通过控制生长条件来实现对不同形貌ZnO纳米结构(“纳米飞机”、纳米梳、纳米四棱锥网络、纳米线及纳米棒阵列)的可控生长。氧化锌纳米线和纳米棒荧光光谱的研究分析结果表明,随着氧化锌晶化程度的增加,其材料内部的应力相应减弱。
(5)在单温管式炉中使用高温分解偏钒酸铵或偏钒酸铵和钒粉源材料的方法,通过控制Ar流量和分解温度等生长条件,实现VOx纳米粒子膜、纳米棒和纳米薄片生长形貌的可控生长。测试分析结果表明首次合成的VO2纳米薄片具有很好的单晶结构,属于单斜晶系。
(6)在MPCVD设备中,使用α-Fe2O3(0001)基底,以N2和CH4为反应气源,首次制备出垂直于基底生长的Fe3O4“纳米金字塔”阵列。Fe3O4“纳米金字塔”形貌单一,尺寸均匀,是单晶的反尖晶石结构,其生长方向为[001]。利用振动样品磁强计(VSM)测试了室温下样品的磁性,结果表明“纳米金字塔”材料的矫顽力和饱和磁化强度比块体材料略有下降。
我们首次制备的大面积B纳米线和纳米管阵列为一维纳米材料大家族增添了新的成员,这种新型的纳米材料很可能在未来纳米电子器件、纳米分子器件以及真空场发射器件中有潜在应用。这也可能为未来的纳米材料研究开拓一个新的方向。Fe3O4“纳米金字塔”阵列有可能为未来温和条件下高密度存储的工业生产和纳米磁性器件的研究提供理想材料。