几种低维纳米材料的制备、表征及物性研究

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低维半导体纳米材料对于实现未来电子器件的集成化,微小化起着重要作用,将会在航天,能源,生物,医药,光电等领域扮演越来越重要的角色。因此,科学家一直致力于探索和研究低维半导体材料的结构与性质,期待能够按照人们的需求可控的调节并利用纳米功能材料。本论文通过介绍几种低维纳米材料的制备方法,并对进一步其结构进行了表征和分析,希望通过研究和调控材料的性质,实现对材料的功能化应用。在对二维材料的研究中,以石墨烯和二硫化钼为主要研究对象,通过微纳加工手段对石墨烯/氮化硼异质结构的电学性质进行了测试和分析,通过使用XeF2气体找到了一种可以有效刻蚀MoS2晶体的方法。在对一维材料的研究中,以碳化硼纳米线为研究对象,通过CVD方法成功制备出了大面积、高密度的纳米线,并对其场发射、电学性质和柔性等进行了系统的表征。  第一部分内容是围绕石墨烯为主要研究对象展开的。首先,对石墨烯层状结构中的范德瓦尔斯力了进行了分析,在对比各种石墨烯制备方法的优缺点之后,找到了一种可以有效提高石墨烯和基底范德瓦尔斯力了相互作用的方法,并通过机械剥离的方法成功制备出了大面积的单晶石墨烯,该研究对于石墨烯器件的加工和物性研究具有重要的意义。利用机械转移的方法,将石墨烯从透明衬底表面转移到氮化硼衬底上,并结合微纳米加工技术制备了相应的电子器件,电输运性质的测试结果表明,在氮化硼基底上的石墨烯比在二氧化硅基底上的性质有显著的提高,在室温下载流子迁移率可以高达47000cm2/V.s,在低温下由于长程散射受到了抑制,导致迁移率会有所提高,低温4K下的迁移率高达59000cm2/V.s。  第二部分的内容中,对MoS2的刻蚀进行了系统的研究。通过对MoS2物理化学性质的分析,找到了一种通过XeF2气体对其进行刻蚀的方法。通过统计多个样品的刻蚀厚度,得到了不同刻蚀时间下的刻蚀曲线,这对于控制刻蚀过程起了重要的指导作用。另外,可以通过调节刻蚀参数得到单层的MoS2样品,并对该样品进行了拉曼谱、荧光谱和AFM的表征,结果表明刻蚀过程并没有破坏样品的内部结构,该方法具有简单高效,并且在刻蚀的过程中不会引入其他杂质等特点,是一种清洁的干刻蚀手段。结合传统的微加工手段,通过这种刻蚀方法制备了一系列图案化的MoS2结构和器件。在人为引入带有孔阵列的石墨烯掩膜后,成功得到了MoS2的六角阵列。通过对实验结果的分析,对刻蚀机理提出了合理的理论模型,表明这种方法可以实现MoS2晶体的各向异性刻蚀,对于制备具有Zigzag边缘的MoS2具有重要的推动作用。  第三部分对碳化硼纳米线的制备,电学性质和柔性进行了系统的研究。通过化学气相沉积法,成功的在Si(111)基底上制备出了大面积,高密度的单晶碳化硼纳米线。结合SEM,TEM和高分辨TEM等表征手段,对碳化硼纳米线的形貌和结构进行了系统的研究,高分辨TEM和选区电子衍射(SAED)结果表明纳米线具有非常好的单品性质,生长方向沿[101]方向。EELS谱表明碳化硼纳米线中只含有硼元素和碳元素,两者的比例约为B∶C=4.06,表明该纳米线为B4C结构。通过简单的模板法,实现了催化剂的图案化加工,从而在后续的生长过程中得到了图案化的碳化硼纳米线。在场发射性质的研究中,比较了图案化的和未进行图案化生长的碳化硼纳米线,结果表明图案化之后的纳米线具有更低的开启电场,增强因子β由原来的1000提高到图案化之后的3070,提高了三倍。在对纳米线进行电输运性质的测量中,我们得到了纳米线的电导率约为5.1×10-2Ω-1.cm-1。在聚焦离子束系统(FIB)中研究了在其形变过程中的性质,结果表明碳化硼纳米线具有优异的柔韧性,在形变超过90%之后仍然能够恢复到原来的状态,与硬而脆的块体碳化硼材料相比柔性方面有了非常大的提高。通过以上研究表明,碳化硼纳米线具有优异的电学,力学和场发射性质,这使得碳化硼纳米线在高温电子,柔性器件和场发射显示等诸多领域有着重要的潜在应用前景。
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