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宽带隙氧化物半导体纳米材料在太阳电池,光催化,场发射阴极,光解水,气敏传感器,紫外光电二极管,紫外激光,紫外光探测器等领域有着极好的应用前景。而氧化物纳米材料的性能不仅受其结晶度、缺陷影响,而且受其尺寸、形貌和排列方式影响。并且,不同的应用领域,最优的尺寸、形貌和排列方式也不同。为了最大限度地挖掘材料的性能,我们必需寻求一种有效的可控合成途径。气相输运法是一种简单有效的纳米材料制备方法,开创性的工作由两位著名的华裔科学家在2000-2003年报道。近几年来,这一领域得到迅猛发展,对这一领域研究有三个方面:第一,纳米材料的可控合成,即可以实现对纳米材料形貌、晶向、尺寸、取向、排列方式、密度的控制;第二,对纳米材料进行功能掺杂、修饰,制备径向或轴向的异质结甚至超晶格;第三,以单根纳米线或者以纳米线阵列为基本单元构建功能器件,开发其应用。基于对气相输运法研究热点和发展趋势的分析,本论文主要关注于几类氧化物准一维纳米结构的合成,通过对比、分析不同参数下的实验结果,筛选出对生长起主要作用的实验参数。通过对这些参数的精细调节,来提高气相输运法的重复性和可控性,为高效开发及拓展纳米材料的应用打下基础。本文具体内容如下:
1.采用热碳还原的方法,用无金属催化剂参与的VS机制,在ZnO种子层上生长了高度有序的ZnO纳米线阵列。系统研究了各类实验参数对实验结果的影响。通过调节局域的ZnO气态过饱和度,可以实现长度在~1到111μm范围内ZnO纳米线阵列的可控合成。并研究了ZnO纳米线阵列的光致发光、场发射和光催化性能。
2.通过对气相过饱和度的急剧调节,在Au/Si衬底上,通过VLS机制生长了ZnO纳米带和纳米梳。采用简单的热蒸发方法,制备了不同形貌的ZnO纳米结构(纳米针、纳米铅笔、纳米花)。
3.In掺杂会对纳米ZnO的生长习性有重要影响:在ZnO/C源中掺入少量In,在Au/Si衬底上,合成了ab面InZnO纳米带。用纳米线辅助横向外延的方法,以先前制备的ZnO纳米线阵列为种子层,经过二次气相输运生长,获得了ZnO/InZnO核壳层结构阵列。通过对反应温度和沉积位置的调节,可以大幅调节InZnO壳层的厚度。
4.通过热蒸发Sn、In粉,在Au/Si衬底上用VLS过程,生长了SnO2,In2O3,ITO的多种准一维纳米结构。在(200)取向的ITO种子层上,生长了有序的In2O3纳米线阵列。