论文部分内容阅读
材料的物理性质与材料微结构密切相关。自从1991年日本NEC公司S.Iijima等发现碳纳米管以来,一维纳米结构的研究引起许多科技工作者的极大关注。一维纳米结构,包括纳米线、纳米棒、纳米管和纳米带等,不仅可以作为纳米尺寸器件的功能组件或纳米器件之间的连接材料,还是研究一维纳米结构的电学特性、光学特性、热学特性和磁学特性等物理性质的理想体系。因此一维纳米结构的制备、生长机制及物理性质的研究迅速成为材料研究领域的前沿和热点之一。本论文紧跟国际纳米材料研究的前沿,以SnO2微结构研究为主,部分工作围绕AlN展开,用不同方法成功制备了Z字形SnO2纳米带、SnO2微米/纳米棒、SnO2微米管、AlN纳米环和Z字形纳米线。利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对合成的一维微结构的形貌、晶体结构和生长进行研究;利用拉曼(Raman)和光致发光(PL)光谱研究了其光学特性,主要结果如下:
⑴Z字形、T形和直的SnO2纳米带。通过热蒸发铁网包裹Sn颗粒制备了Z字形、T形和直的SnO2纳米带。SEM和TEM表征结果表明:SnO2纳米带为单晶结构;Z字形纳米带具有很好的周期性;结合TEM表征和晶体表面能分析,认为在局域反应条件波动的诱导下,SnO2纳米带沿两个不同等价方向([101]和[101])交替生长形成Z字形纳米带;直的纳米带与Z字形纳米带相比,生长方向相同,但带轴不同。利用Raman和PL光谱研究了SnO2纳米带的光学特性。SnO2纳米带可以作为光电器件的元件或器件之间的连接材料,在未来光电子领域有着广阔的应用前景。
⑵SnO2微米/纳米棒。在高温下金属Sn和水反应合成了单晶层状SnO2微米/纳米棒。利用XRD、SEM、TEM和EDS对合成的SnO2微米棒的结构和生长进行全面的表征和分析。单晶层状SnO2微米棒沿[110]方向生长,其生长是一个典型的VLS生长机制。结合电镜表征结果和晶体表面能分析,提出了SnO2微米/纳米棒由SnO2薄片沿[110]方向叠放形成。微区PL谱测量,在523、569和626nm出现发射峰,认为它们与SnO2微米/纳米棒表面附近的表面缺陷和氧空位有关。
⑶SnO2微米管。利用会聚光蒸发法制备了矩形截面的SnO2微米管。通过电子背散射(EBSD)实验确定了微米管的侧面分别是(110)和(1-10)晶面,微米管轴向沿[001]方向,给出微米管的形成机制。SnO2微米管的微区Raman光谱研究发现,除了普通的三个Raman峰以外,还出现了一个位于696cm-1新的特征峰,认为其来源于SnO2微米管表面的无序或缺陷。矩形的SnO2微米管在微纳米尺度的液体输运和光电器件方面具有良好的应用前景。
⑷AlN纳米环和Z字形纳米线。在氨氮混和气氛下,热蒸发Al/Mn合金首次合成了AlN纳米环和Z字形纳米线。TEM和SAED结果表明纳米环的半径方向沿六角晶体结构AlN的c轴。基于极化电荷模型,我们提出纳米线弯曲、交叉,高温烧结形成纳米环的形成机制。系统(纳米环)的总能量包含静电能、弹性能和表面能。纳米线弯曲、交叉形成纳米环,系统的静电能减少,而弹性能增加。这两者相互竞争的结果使得纳米环的总能量最小。在能量最小化的驱动下,纳米线生长过程中弯曲、交叉形成这种特殊的稳定的环状纳米结构。Z字形纳米线的晶体取向沿[0001]方向,生长方向沿[10-11]和[-1011]方向交替进行。利用IR和Raman光谱研究了AlN纳米线的光学特性。