Ga輔助生長一維納米結(jié)構(gòu)的光、電、熱性能研究.pdf

1、Ga 輔助生長的一維納米結(jié)構(gòu)材料具有特別的物理和機(jī)械特性，在微納技術(shù)領(lǐng)域有許多重要而潛在的應(yīng)用。其中，鎵催化生長的硅納米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)元器件之間的鏈接，與其他器件匹配較好，為組裝高集成、智能化的器件提供了新途經(jīng)；利用鎵填充納米管研制的納米溫度計和納米開關(guān)也為微納電機(jī)器件的設(shè)計描繪了新的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，本文圍繞Ga 輔助生長一維納米結(jié)構(gòu)的光、電、熱效應(yīng)及其應(yīng)用開展工作，現(xiàn)將原創(chuàng)性和創(chuàng)新性的主要結(jié)果總結(jié)如下：
　　 （1）設(shè)計了

2、一種可控的大面積制備硅多級枝狀結(jié)構(gòu)的單步合成方法，可以研制出多種Si基多級枝狀納米結(jié)構(gòu)。創(chuàng)新性的利用鎵的催化作用，制備出大面積整齊的硅的多級枝狀納米結(jié)構(gòu)陣列。進(jìn)一步對多級枝狀納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理給予了合理的解釋。
　　 （2）與單晶硅的一階光學(xué)-聲子譜相比，多級枝狀納米結(jié)構(gòu)、較大的多級枝狀納米結(jié)構(gòu)和多級枝狀納米線三種結(jié)構(gòu)的拉曼峰均有一定的藍(lán)移，且相應(yīng)的半高寬有一定的展寬。光致發(fā)光測試顯示，三種結(jié)構(gòu)的發(fā)射峰均出現(xiàn)在550nm 處，與

3、已報道的硅納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光性能相比，也有相應(yīng)的藍(lán)移。我們將此現(xiàn)象歸結(jié)為納米結(jié)構(gòu)的量子尺寸效應(yīng)或缺陷（如堆垛層錯）引起的。
　　 （3）硅多級枝狀結(jié)構(gòu)陣列擁有優(yōu)越的場發(fā)射和電輸運(yùn)性能。優(yōu)越的場發(fā)射性能顯示其具有較低的開啟電場（3.16 V/μm）和較高的場增強(qiáng)因子（1252）。電輸運(yùn)測試結(jié)果顯示硅的納米枝狀結(jié)構(gòu)有較小的電阻。通過改變枝狀結(jié)構(gòu)與電極的接觸，真空退火較大程度地減小了其電阻的50％。然而，熱氧化直接導(dǎo)致硅的枝狀結(jié)構(gòu)的表

4、面形成了一層氧化層，其電阻增加了近2 倍。然而真空退火和熱氧化使電流-電壓特性變得更加線性對稱，電輸運(yùn)的穩(wěn)定性明顯提高。
　　 （4）在原位透射電鏡的電子束輻照下，利用制備的鎵填充二氧化硅納米管的異形異標(biāo)度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，首次發(fā)現(xiàn)鎵液體在二氧化硅納米管異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的快速膨脹現(xiàn)象。這是一種由內(nèi)部巨大壓強(qiáng)引起的電液壓膨脹效應(yīng)。此內(nèi)部巨大壓強(qiáng)來至于電子束轟擊鎵液體產(chǎn)生帶正電的鎵離子，造成鎵離子之間的庫倫排斥力，驅(qū)使它們向表面移動而引起膨脹。

5、基于鎵液體膨脹和經(jīng)典靜電理論，計算出正電荷引起的內(nèi)部壓強(qiáng)Pin 值。以上所述的電液壓膨脹效應(yīng)為微納液壓驅(qū)動系統(tǒng)提供了新的應(yīng)用機(jī)制。
　　 （5）在改變實(shí)驗(yàn)方法制備出大面積鎵填充碳納米管的基礎(chǔ)上，我們?yōu)殒壧畛涮技{米管在納米領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新途徑。利用STM-TEM 測試設(shè)備，將該結(jié)構(gòu)放在不同的電場中，電驅(qū)動力的作用使得鎵在碳納米管中做不同模式的運(yùn)動。其一，在單電極的電場中，鎵在電場力的驅(qū)動下做周期性的彈性運(yùn)動，可以將其看做電場驅(qū)動

6、下的“納米彈簧”。用新的彈性運(yùn)動模式對該機(jī)理進(jìn)行了合理的解析。其二，在雙電極高電流密度的電場中，高電流密度驅(qū)動鎵的遷移速度由1.328 fg s–1 變化到10.345fg s–1，遠(yuǎn)大于已報道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這里我們定義鎵填充的碳納米管為雙電極作用下的“高速質(zhì)量傳輸機(jī)”。
　　 （6）首次發(fā)現(xiàn)，在高電流密度的驅(qū)動下，鎵與碳納米管發(fā)生分離，在電場驅(qū)動力的作用下鎵快速移動，質(zhì)量輸運(yùn)速度逐漸變快，然而，碳納米管兩端的電輸運(yùn)性能變化較小。

7、在低電流密度下，鎵沿著碳納米管移動緩慢，導(dǎo)致碳納米管兩端的電輸運(yùn)性能變化較大，這種鎵填充的碳納米管可以作為電驅(qū)動的“納米滑動變阻器”或者“納米開關(guān)”應(yīng)用。
　　 （7）在已有納米溫度計工作的基礎(chǔ)上，我們研制出靈敏度高、測溫范圍廣、性能穩(wěn)定的新一代納米溫度計，它們各自具有特殊的性能：（a）鎵填充氧化鎂納米管溫度計具有四方開口的結(jié)構(gòu)，測溫范圍廣，靈敏度高達(dá)6.13nm/℃，是目前報道的靈敏度最高的納米溫度計之一。（b）首次研制的鎵填