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功能一维纳米结构作为未来纳电子器件中的基本组成单元,在未来纳电子学,纳光电子和纳米分子电子学领域有着重要的应用,因此探索和研究新颖的功能一维纳米材料成为了当今纳米研究中的一个重要研究方向。本论文利用化学气相沉积(CVD)技术,在单温管式炉中,成功制备了硼(B)纳米线、硼(B)纳米剑、硼四碳(B4C)纳米线、硼四碳硅氧(B4C- SiOx)异质纳米项链、二氧化钒(VO2)纳米片;利用多种分析手段(SEM,TEM,HRTEM,EELS,EFTEM,SAED,XRD,XPS)对这些纳米材料的形貌、结构和成份进行了表征和分析;在此基础上研究了它们的场发射,力学和光致发光性质,并且利用微纳加工技术(EBL、FIB、UV-lithography)研究了它们的电输运性质,结合化学刻蚀技术对基于InAs纳米线的单电子晶体管进行了研究,主要结果如下:
(1)利用活泼金属热还原法,首次制备出了大面积的单晶硼纳米线,并且通过控制实验条件实现了硼纳米线的图形化生长以及在STM钨针尖上的生长。利用电子能量损失谱(EELS)、能量过滤成像(EFTEM)等技术证明其成分为硼;选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究结果表明其具有很好的单晶性,生长方向为[012]。其生长机理为气相(V)-液相(L)-固相(S)生长机制。电输运性质的研究表明:硼纳米线在高温具有较好的导电性,其输运性质符合Mott提出的VRH导电机制;柔性测试表明:硼纳米线具有很好的柔性,并且电导率不随应力的增加而改变;场发射性质的研究表明:硼纳米线具有很好的场发射性质。
(2)利用活泼金属热还原法,首次制备出了大面积的单晶硼纳米剑,并且通过控制反应过程实现了由硼纳米剑到尺寸突变的硼纳米剑、硼纳米树的生长。利用电子能量损失谱(EELS)、能量过滤成像(EFTEM),电子能量色散谱(EDS)和Z-衬度(Z-Contrast)等技术证明纳米剑的成分为具有I~oMg掺杂的硼;选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究结果表明其具有很好的单晶性,生长方向为[001],其生长符合气相(V)-液相(L)-固相(S)生长机制。电输运性质的研究表明:掺杂后的硼纳米剑为p-型半导体,随着温度的升高其电导率明显升高;柔性测试表明:硼纳米剑也具有很好的柔性。单根硼纳米剑场发射性质的研究表明:硼纳米剑具有比纳米线更好的场发射性质。
(3)利用碳热还原法,制备出了大面积的单晶硼四碳纳米线,并且在此基础上实现了硼四碳硅氧异质纳米项链的制备。利用电子能量损失谱(EELS)、能量过滤成像(EFTEM)等技术证明其成分,选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究结果表明其硼四碳纳米线具有很好的单晶性,异质结上的SiOx球是非晶。硼四碳纳米线的生长机理为气相(V)-液相(L)-固相(S)生长机制,异质纳米项链是气相(V)-液相(L)-固相(S)和气相(V)-固相(S)生长机制的结合。光致发光研究表明:硼四碳纳米线具有可见光发光特性,形成的硼四碳硅氧异质纳米项链使纳米线的发光特性得到明显增强,且出现了蓝移。
(4)利用化学束外延法,在InAs(111)基底上成功制备了枝状的InAs纳米线,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究结果表明InAs纳米线是很好的单晶体。在此基础上,利用微纳加工技术(EBL、UV-lithography)和化学刻蚀技术,在枝状InAs纳米线和单根InAs纳米线上实现了单,双量子点的制作,并且利用侧栅极实现了单电子晶体管的特性。该研究表明:半导体侧栅极和金属侧栅极与量子点都具有很好的耦合,通过它们实现了对量子点内电子态的调控。
(5)利用热还原法,制备出了单晶二氧化钒纳米片。能量色散X射线荧光光谱(EDS)和粉末X射线(XRD),X射线光电子能谱(XPS)等技术证明其成分为二氧化钒,选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电子镜(HRTEM)研究结果表明其具有很好的单晶性,生长方向为[010],其生长机理为气相(V)-固相(S)生长机制。在电化学研究中首次观察到了Li在二氧化钒纳米片中的嵌入和脱出经历了多步复杂的转变过程,循环性研究表明其具有良好的充放电稳定性。