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纳米材料的可控生长(包括形貌、位置和取向控制等)是当前纳米材料研究领域的前沿和热点。在纳米尺度范围,一个重要特点是材料的性能不但与尺度有关,而且与形貌有明显的依赖关系,研究纳米材料的控制生长技术以实现按照应用需求有目的性地合成特定形貌和尺度的纳米材料,是当前纳米材料研究领域亟待解决的重要科学问题。本文选取极具应用前景的氧族化合物作为研究对象,研究其结构生长和形貌演化的内在规律,探索与奇特形貌相关的奇特物理性能。研究的重点集中在纳米材料的控制生长方法、纳米结构动力学控制规律以及形貌演化与实验参数的关系。
主要研究内容及创新点包括以下两点:
(1)对氧族化合物最具代表性物质ZnO的可控生长及形貌演化研究。采用简单的化学气相沉积法制备ZnO的多种新颖花样结构(梳状、四脚状、锥塔状),考察了物源温度、保温时间、基底种类(AAO/Si)、基底距离、含氧量等条件对产物形貌的影响,动态的研究了各形貌的形成过程和相互演化的规律,澄清了各结构的形成机制:最初在衬底上形成大量的纳米级颗粒即成核(近似非晶状态,即使结晶,结晶性也很差),表面凹凸不平。接下来的恒温过程中,晶核逐渐长大,受空间限制,做取向生长,具体取向由晶核的结晶学特征和周围的环境决定。扩散控制的强弱对产物形貌的演化起到了非常关键的作用。可以通过精确控制各实验参数,实现对ZnO尺寸、形貌等的人为调控,为进一步研究其奇异物性与结构的关系打下基础,对于该纳米材料的应用有极大地促进作用。
(2)采用简单的物理气相沉积法在AAO模板上制备出S的—维纳米管和二维蜂窝状多孔阵列,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能谱仪等对产物的性能进行了研究,并讨论了二维多孔阵列的生长机制和演化规律。纳米S的应用是获得S纳米管和蜂窝状多孔阵列的关键,因为其中的表面活性物质降低了MO模板孔道及表面的界面张力,使S原子容易沉积在MO孔道及表面,并且反应过程中物质气相浓度的不同是形成不同形貌二维多孔S阵列的重要因素,气相浓度越高,生成的二维多孔阵列颗粒越细小,气相浓度越低,生成S阵列的颗粒越粗大。以MO模板为基底无需复杂设备和载气制备出一维管状结构和二维网状阵列结构,为一维管状结构和二维网状阵列结构的制备提供了一条简便廉价的新途径,对于材料的设计具有指导意义。而这种方法和结构在未来的二次复合模板制备、生物医药和纳米器件的组装方面具有重要的应用。