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纳米材料性质的研究以及纳米结构的构建,对于未来如何构造纳米器件有重要的现实意义。而纳米材料之间的作用以及纳米材料和体材料之间的作用,是研究纳米材料的自组装过程以及如何构造纳米结构的基础问题。
本文以原子力显微镜(AFM)为核心工具,以氧化锌(ZnO)纳米材料为主要研究对象,对AFM操纵ZnO纳米线,ZnO量子点在石墨原子台阶处的自组装,以及将ZnO纳米线组装到AFM针尖上作为用于成像进行了研究,涉及到ZnO纳米线的生长机理和形态、光致发光、力学性质及其应用等方面。主要工作包括:
一、通过AFM纳米操纵技术,实现了云母衬底上对ZnO纳米线和CdS量子点的可控操纵,研究了ZnO纳米线的力学性质。采用VLS方法合成了ZnO纳米线,直径在30~150nm,并讨论了其生长机理与光致发光特性,荧光光谱显示其发射峰波长380nm和500nm,与文献报道符合;对纳米材料进行纳米尺度的精确的操纵和裁剪,表明ZnO纳米线和CdS量子点可以作为构造纳米结构的积木块,并通过定性计算得出切割一根直径45nm的ZnO纳米线所需要施加的压力约为84nN;研究了探针的弹性系数对纳米操纵的影响,发现弹性系数较小的探针不适合用于操纵。
二、探索了ZnO量子点在石墨原子台阶处的自组装。通过对ZnO纳米线在乙醇中进行超声的方法得到了ZnO量子点;利用AFM观察高定向石墨(HOPG)表面的ZnO量子点,统计了ZnO量子点的直径,得到其平均直径为21nm;发现了ZnO量子点在石墨原子台阶的作用下的自组装现象,形成原子台阶—量子点结构。提出此现象的原因为:在溶剂挥发过程中,ZnO量子点不断运动,当与HOPG的原子台阶相接触时,ZnO量子点表面的悬挂键与石墨台阶处C原子形成共价结合键,从而发生了这种现象。
三、对ZnO纳米线的应用进行了尝试——首次实现了在AFM针尖上组装ZnO纳米线,并利用ZnO纳米线作为AFM针尖进行成像。采用化学镀的方法在针尖镀层上沉积金作为催化剂;通过VLS方法将ZnO纳米线组装到AFM针尖上;研究了催化剂剂量对在针尖上组装纳米线的影响,结果表明催化剂剂量过高会使纳米线密度太大而使反射激光信号减弱,不适于成像,控制催化剂溶液浓度和化学镀的反应时间可以得到比较合适的催化剂剂量;对针尖上组装ZnO纳米线的不同生长形态的机理进行了讨论;通过原位成像对比,验证了自制ZnO纳米线针尖可以用于AFM成像;归纳出减小针尖上纳米线的直径和密度是提高ZnO纳米线针尖成像分辨率的可行方法。