一维氧化镓、碳化硅纳米材料的制备、物性表征和自组装

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一维纳米材料以其特殊的基本物理性能以及它在未来纳米电子器件,光电子器件,微传感器等多方面潜在的应用前景,吸引了人们广泛的注意,目前己成为纳米科技研究的最热点。而一维纳米材料的可控性制备和操纵是实现其功能性应用的前提。本文在前人的工作基础上,从气相中制备了具有多种形貌的氧化镓和碳化硅的一维纳米结构,讨论了它们的形成机理,观察到了它们在光致发光,激光拉曼散射和力学性能方面的新现象,以及氧化镓纳米带在毛细作用驱动下形成大面积有序阵列的自组装行为。通过这些工作的开展,为实现这两种纳米材料的功能化应用打下了良好的基础。本文的主要研究内容包括以下几个方面: 探索并发展了一种有效的制备氧化物纳米带的方法:金属单质直接氧化法。在900℃下直接热蒸法金属Ga,获得了大量具有单晶结构的氧化镓纳米带。和文献中报道的其它方法比较起来,金属单质氧化法显著降低了反应温度和反应时间,可推广到其他金属氧化物纳米带的制备。研究了氧化镓纳米带在室温下的光致发光性能。在激光激发下,纳米带表面的氧空位和大的比表面积使得它有一较强的蓝光发光带。 采用金属催化剂的气-液-固(VLS)是一维纳米材料生长的最重要方法。本文在Au纳米颗粒催化辅助下,采用金属单质氧化法制备了多种不同形貌的氧化镓纳米结构,其中包括纳米线,纳米片和层状晶体等,发现控制气相反应物的浓度可实现氧化镓纳米结构的可控性生长。而且催化剂纳米颗粒的使用明显促进了氧化镓纳米结构的形成,其生长过程受VLS和VS机理的共同控制。 除了热蒸发,微波等离子体法也被用来生长氧化镓的纳米结构。通过金属Ga和水蒸汽等离子体的反应,在生长基底上制备了氧化镓纳米片的阵列。通过改变实验条件也制备了氧化镓的纳米管。由于在反应气体中引入了活性基团,微波等离子体法降低了反应条件和对实验装置的要求,同时获得了其他实验方法难以制备的纳米结构。 通过感应加热SiO粉末,在碳毡的表面制备了一种具有复合结构的SiC/SiO2纳米同轴电缆:其核为晶体的3C-SiC,壳为非晶的SiO2。SiC/SiO2纳米同轴电缆是一种径向的绝缘体-半导体异质结结构。通过微观表征和反应动力学,研究了它们的生长机理和形成过程。而且在感应加热产物中也发现了螺旋形的SiC/SiO2纳米同轴电缆。先前文献报道中的无机物一维螺旋形纳米结构的形成都需要催化剂的引导,本文在无催化剂的情况下合成了螺旋形的一维纳米结构,并认为不同心的核-壳生长速度的不同是其生长的主要原因。 另外,研究了SiC纳米线的激光拉曼和力学性能。实验结果表明SiC纳米线的拉曼光谱和块体材料比较起来出现了明显的“红移”,散射峰位向短波数方向移动。量子限域效应和缺陷是其“红移”产生的主要原因。研究了单根SiC纳米线的力学强度,发现SiC纳米线的弹性模量随着其直径的减少而增加,最高的弹性模量值接近于晶体SiC中(111)面的理论弹性模量。而且在PVA中加入重量仅为5%的SiC纳米线,就能显著提高其拉伸强度和弹性模量,表明SiC纳米线具有良好的增强效果。 自组装在纳米技术的发展中起到了重要的作用。本文通过溶剂蒸发法在硅片的表面获得了大面积有序排列的氧化镓纳米带的二维有序薄膜。悬浮液中微粒之间的毛细作用和对流传输是这种自组装行为的驱动因素。另外研究了悬浮液液面的形状和溶液浓度对氧化镓纳米带自组装行为的影响。以前的微粒自组装研究对象主要是球形微粒,对纳米带这种具有较大长径比材料的自组装行为的研究很少。这种毛细作用驱动的自组装技术可望推广到其他一维纳米材料有序阵列的制备。
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