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近年来,单壁碳纳米管以及一维锌的氧族化合物纳米结构因其优异的电学和光学性质等,受到人们的广泛关注。其中,单壁碳纳米管有望成为未来纳电子器件中的基础材料,还可以作为复合材料的增强剂以及储氢材料等;而一维锌的氧族化合物纳米结构主要应用于光电器件领域,尤为突出的是利用氧化锌纳米线阵列,已经成功地制备了室温纳米紫外激光器。本论文以一维纳米结构的CVD可控生长为主线,主要包括两个部分的研究工作。
在论文第一部分,主要探讨了ZnO、ZnS以及ZnSxO1-x与ZnxMg1-xO等准一维锌的氧族化合物纳米结构的低温CVD生长。主要结论如下:(1)基于选择易蒸发的锌粉、硫粉等为源材料,建立了锌的氧族化合物一维纳米结构的低温CVD生长方法。以氧化锌为例,在400度的较低温度下,通过优化气相沉积条件(如气流、氧气含量等),以Au纳米粒子作为催化剂,成功地实现了氧化锌纳米线的低温生长,并研究分析了其对应的生长机理以及荧光特性;另外,还研究了反应条件和催化剂的种类对氧化锌纳米结构形貌的影响,获得了其它形貌的氧化锌纳米结构(如纳米钉子、纳米带和纳米管等)。(2)系统地分析了低温CVD生长方法的特性。以氧化锌、硫化锌的结构特征为例,由于蒸发和沉积温度较低,不仅可用于生长直径较小的一维纳米结构,而且晶体的生长过程主要受动力学控制,因而可以生长具有特殊形貌的纳米结构(如枝状纳米线)。但是,生长温度较低也会导致一维纳米结构中出现一些缺陷,从而影响晶体的质量。(3)拓展了低温CVD生长的材料种类,利用易蒸发的金属镁以及易挥发的液态四氯化钛(或者钛酸酯)作为源材料,分别在500度和600度的较低温度下实现了氧化镁纳米线和二氧化钛纳米棒的表面生长。(4)详尽地探讨了一维ZnSxO1-x复合纳米结构的低温可控生长,并对一维ZnxMg1-xO复合纳米结构的低温生长进行了初步探索。利用二步法,在500度的温度下,实现了一维ZnSxO1-x纳米结构的生长,并通过改变载气流速和反应时间等条件,有效地调控一维ZnSxO1-x纳米结构中硫元素的含量以及ZnSxO1-x的结晶状态(单晶或者多晶)。
在论文的第二部分,从新型催化剂的设计与合成着手,主要探讨了单壁碳纳米管的CVD表面生长以及利用双金属Fe/Ru和Fe/Pt为催化剂的单壁碳纳米管的表面高效生长。主要结论有:(1)基于FeCl3水解法和微波加热还原法,制备出Fe、Ru和Pt等纳米粒子,实现了单壁碳纳米管的CVD表面生长。较为详细地讨论了促进剂、甲烷流量、反应温度以及基底的种类等对单壁碳纳米管表面生长的影响。(2)利用微波加热还原法,设计、合成了PVP稳定的新型双金属催化剂Fe/Ru和Fe/Pt,实现了单壁碳纳米管的表面高效生长,生长效率分别高达35%和30%,是目前文献报道最高生长效率的~3倍。详细地研究、分析了双金属催化剂的合金组分以及各种生长条件(包括甲烷流量、反应温度和基底的性质等)对单壁碳纳米管表面生长的影响。(3)通过对比单金属催化剂和双金属催化剂对单壁碳管表面生长的不同活性,探讨单壁碳纳米管表面高效生长的机理,加深对单壁碳管表面生长的理解。