器件微小化是推动现代科技发展的重要因素,实现器件微小化的关键一步是探索新型低维功能材料。因此,科学家一直致力于对纳米尺度材料的结构,性质以及与低维相关联的量子尺寸效应等的研究,以达到调控纳米功能材料的目的并将其付诸于应用。本文的工作基于纳米材料的制备而展开,目的是通过调控纳米材料的结构来优化其物理性质,以开拓其应用价值。本文涉及数种不同的纳米材料的制备、结构和物理性质研究,如氧化锌雪花状结构,一维硼纳米材料,以及纳米粒子。　　 第一部分内容是使用化学气相沉积方法(CVD)在锌微米球的表面可控地制备了高度有序和对称的ZnO显微结构。从扫描电子显微镜(SEM)下观察到,这种ZnO有序结构对自然界从枝状结构到六角冰晶结构的五种不同的雪花形貌进行了很好的模拟。通过x射线衍射(XRD)和x射线能谱分析(EDX)确认了该雪花状结构的元素成分是ZnO。光致发光(PL)性质测试表明该ZnO的结构变化可以调控其光学性能。通过原子量级上的蒙特卡洛模拟解释了树枝状ZnO雪花结构的形成。这个工作不仅有助于对ZnO结构的性能调控,还从原子尺度上阐述了ZnO雪花结构的形成机理,并且对于自然界中毫米量级的天然雪花结构的形成机理有新的启示。　　 第二部分内容中,使用CVD方法制备出大面积的单晶硼纳米锥结构,并使用SEM,透射电子显微镜(TEM)以及EDX对其结构成分进行表征。通过旋涂法控制反应基底的催化剂纳米粒子浓度,从而控制硼纳米锥的密度。进一步采用Mo网为模板实现催化剂纳米粒子的图案化从而得到图案化生长的硼纳米锥。场发射性质表明,图案化硼纳米锥的开启电场为2.8 V/μm(10μm/cm2),阈值电场为3.8 V/μm(1 mA/cm2)均低于以前报道的一维硼纳米结构。较低的阈值电场可能是源于纳米锥顶端小的曲率半径、生长方向逐渐有序化以及均匀图案化减少了屏蔽效应。通过计算,其场增强因子p在低场和高场下分别为1396和6852。电场模拟表明了这种图案化的结构增强了局域电场,抑制了场屏蔽效应,从而提高了场增强因子。　　 此外,使用聚焦离子束刻蚀(FIB)和电子束光刻(EBL)的方法制备了硼纳米锥的电学器件,并对其电输运性质进行测量,发现FIB器件的电导率在101量级,而EBL器件的电导率在10-1量级,均比硼的块体材料的电导率提高了3～5个数量级。两者电导率的区别可能来自于FIB中Ga离子束和Pt对硼纳米锥的掺杂。　　 第三部分是硼纳米剑的掺杂结构研究。Β菱方硼具有极大的空隙空间,使其能够容纳许多外来金属原子而又不破坏其本身的结构,掺杂的原子位置和种类会影响硼结构的导电性。因此采用扫描透射电子显微镜(STEM)研究不同元素在β菱方硼中的掺杂结构。STEM的暗场像(Z-contrast image)对原子序数Z很敏感,因此十分适合用于研究元素原子序数相差较大的掺杂。X射线能谱分析(EDX)和电子能量损失谱(EELS)证明了镁和硅被均匀地掺杂进硼纳米剑结构中。并且这种掺杂诱导了纳米剑结构的重构。当改变Mg掺杂量时,在STEM的原子序数像下观察到两种复杂的重构。并且它们都被电子衍射图(DPs)所证实。这种由掺杂诱导形成的重构结构之前未被报道过,也不能够由己知的β-菱方硼的原子位置和掺杂位置而得到。推测这种新奇的结构产生的原因,可能是存在未被发现的掺杂位置,或者是掺杂诱导了结构的变化。　　 第四部分内容使用STEM对多种碳基功能材料如空心碳球,碳介孔材料和硅/碳核壳结构等进行结构和成分的研究。碳基材料在催化剂载体,锂离子电池,以及气体存储和释放等方面都有潜在应用价值。碳空心纳米球粒径均一,形状规则,并且能够将单个Au纳米颗粒一一掺入到这种空心结构中。碳空心球作为极有效的包覆层,保护了单个Au纳米颗粒的催化能力和稳定性。多孔碳材料在沿着＜001＞轴的方向呈六角对称结构,且其中的碳束直径约为6 nm,而碳与碳之间的孔直径约为2.3 nm,这使其具有极大的表面积,可能能成为极好的催化剂载体。与普通的Si/C核壳结构不同,我们发现的是一种新型的Si/C/Si三明治核壳结构,有可能在性质上有着不同的表现。