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纳米材料是指在空间某些维度的尺寸减小到相应的激子半径左右的材料,此时材料的性质由于量子约束效应将体现出和大块材料不一样的性质,带来一些新的应用价值,因而备受瞩目。半导体的量子点以及纳米线具有独特的电学和光学性质,在纳米微电子领域可以用作新器件的组成单元。而作为半导体工艺最重要的Si,其量子点和纳米线的研究自然成为焦点。在本论文中,我们将介绍利用气相聚集法装置实现富硅氧化物量子点和纳米线的制备,与此同时还有另外一种重要的窄带半导体——InSb纳米颗粒和短棒的制备。
在室温的衬底上,发现所得到的薄膜是由富硅氧化物纳米颗粒组成,形貌上是颗粒形成的堆积结构。而在高温的衬底上,观测到团簇颗粒从离散的颗粒逐渐演变成一维纳米线,据此提出了一种新的硅纳米线的形成机制,即团簇烧结生长机制,认为在高温的烧结作用下,淀积在衬底上的相邻颗粒之间通过原子扩散形成颈连,扩散完全后颈部消失,得到光滑的纳米线。将衬底分别放置在高温下不同气流分布的地方,得到沿着特定方向排列的纳米线阵列,取向和载流气体的流向一致,这种有序形貌归结于气流的导向作用。
而在InSb纳米结构的制备中,我们观测到其较强的各向异性生长特性,得到了具有特殊对称性的颗粒,比如三角形颗粒,六边形薄片和矩形颗粒等等。当生长时间足够长时,制备出一些具有类似对称的一维纳米短棒结构。这些特殊形貌的形成与InSb的各向异性生长有关,在InSb的闪锌矿结构中(111)面的能量最低,因此生长速度最快,当这个面显露为颗粒的表面时,往往呈三角形,而当这个面生长的同时,如果受到其他面生长的限制,则可能出现六边形形貌。
在硅纳米线的性质上,我们发现了其长达10秒钟的可见光范围的光致发光现象,这远远超过了现有报道中Si发出可见光的时间。对它的发光机制我们认为可能与多晶纳米线中硅氧化物包裹着硅微晶的特殊结构有关,载流子在微晶中被激发,在氧化物基体中复合发光,硅微晶和基体之间的界面对载流子的束缚作用导致了发光的延时。