纳米材料由于其晶粒尺寸处于纳米尺度,而具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,产生了独特的物理性质和化学性质,近年来受到了人们的广泛关注,在建筑材料、陶瓷材料、绝缘材料、气敏材料等领域发挥着重要作用。半金属铋为重粒子(83号元素),有利于声子散射,热导很小,是具有广阔应用前景的热电材料。同时,铋在所有金属中抗磁性最强、除汞外热导最小、电阻最大,费米能级表面各向异性的倾向性较强、载流子浓度较低且移动速度快、有效电子质量最小(约9.11×10-34 kg)、自由程很长、霍尔效应最大,可以作为研究量子限制效应、体积效应以及巨磁阻效应的理想材料。并且铋纳米材料具有磁致电阻效应及热电效应,可能成为具有生产开发价值的磁感应材料与热电转化材料,具有广泛的应用价值。因此,本论文选取半金属铋低维结构的制备和表征作为研究的内容。论文主要采取水热法、溶剂热法、旋涂—还原法对铋的纳米颗粒、硅衬底上的“洋葱球”结构、纳米带、纳米薄膜进行了制备,并利用XRD、SEM、EDS、TEM、HRTEM、I-V曲线等检测方法对其进行了表征。主要实验内容和结论如下：1.铋纳米颗粒的制备与表征。通过溶剂热法,使用硝酸铋溶液作为前驱体,放入恒温180℃的高压釜中反应不同时间得到不同形貌的铋纳米颗粒。通过XRD检测证明所得产物为铋的纳米结构；通过透射扫描电镜对样品进行表征,发现低浓度的前驱体溶液反应时间12 h为铋纳米球形成的节点,并且随着反应时间的增加使纳米球的结晶度逐渐提高。当前驱体溶液浓度提高时,生长基元浓度随之增大,从而使形成的纳米球粒径增大。当前驱体溶液浓度增大至10 mmol/L时,出现规则几何外形的纳米带结构。对得到的纳米带进行的Ⅰ-Ⅴ曲线测试,得到的电阻率为1.58x10-3Ωm,比块体铋(0.12×10-3Ωm)提高了一个数量级,说明铋纳米带的尺寸效应较为明显,向半导体转变的趋势也已经非常明显。由此说明,随着Bi尺寸的减小,Bi纳米材料会展现出与块体材料迥异的物理性质。2.铋“洋葱球”结构的制备与表征。采用水热法,将硝酸铋悬浮液、(111)晶面的硅衬底、过量氢氧化氨、去离子水放入恒温180℃的高压釜中,经过不同的反应时间得到实验所需的样品。对比反应时间为5h和12h的样品,发现随着反应时间增加,形成的纳米球数量也有所增加,并且由硅衬底上出现的腐蚀坑推断出硅衬底中的硅原子参与了纳米球的形成。对反应12h样品进行的XRD检测表明,所得产物铋为六方晶系。样品断面的HRTEM图像显示,铋纳米球具有类似“洋葱球”层状结构。由此,对铋“洋葱球”结构可能的生长机理进行了分析：在反应初期,氢氧化氨离解为氨根离子和氢氧根离子；硅衬底中的硅原子会迅速与产生的氢氧根离子反应,生成氢氧化硅,而氢氧化硅极不稳定易分解,因此反应釜内的Si片表面原子会慢慢“溶解”,形成了前面所述的腐蚀坑,同时放出氢气；氢原子在一定温度下还原吸附在衬底表面的氢氧化铋生成铋,形成铋核并逐渐长大成为“洋葱球”的层状结构。3.铋纳米带的制备与表征。采用水热法,以氢氧化铋悬浮液作为在硅衬底表面原位合成铋纳米带的原料,在恒温180℃的高压釜内反应不同的时间,得到所需样品。使用扫描电镜观察,硅衬底表面存在大量长于60μm的线状纳米结构,并且部分纳米带顶部嵌入了硅片内部,而另一部分纳米带镶嵌在硅片表面,形成不同的纳米结构。扫描电子显微镜和透射电子显微镜对所得铋纳米带进行观察,提出了铋纳米带在硅衬底上可能的原位生长机理：当整个系统被加热时,氢氧化铋与硅原子在晶片表面进行反应,生成氢氧化硅和铋,从而形成铋核,进而生长形成纳米球。原位纳米球内部晶面选择生长,最终(100)晶面以垂直和平行于硅片表面两种形式显现。当生长面(100)晶面垂直于Si片表面生长,遇到阻碍时,纳米带前端会发生弯曲翘起,形成自由端,离开Si片表面进行生长：当生长面(100)晶面平行于Si片表面生长时,由于初始的晶面夹角而在生长不久后离开Si片表面自由生长。另外,我们对三层铋纳米带的Ⅰ-Ⅴ曲线进行测量,测得的电阻为2×104Ω,计算得到其电阻率为0.27×10-3Ωm,大于块体铋的电阻率0.12×10-3Ωm。4.铋纳米薄膜的制备与表征。采用旋涂—还原法,以硝酸铋溶液为原料溶于丙二醇中配置成前驱体溶液,在经过旋涂、烘干后得到前驱体薄膜,放置在恒温230℃的干燥箱中反应20h得到所需样品。根据扫描电子显微镜图像所示,随着旋涂一还原次数的不断增加,纳米颗粒在硅衬底表面铺展面积逐渐扩大并最终铺满衬底表面,形成均匀铺展的纳米薄膜。由X射线衍射结果显示,c轴方向为薄膜的优势取向。样品透射电子显微镜衍射图像表明,所得样品为六方结构的铋。通过对其Ⅰ-Ⅴ曲线进行测试,得到样品的电阻率为0.46×104Ωm,大于块体铋的电阻率。