硅及硅化物納米結(jié)構(gòu)的制備與性能研究.pdf

1、一維納米材料由于具有大的長(zhǎng)徑比、高的各向異性、特殊的結(jié)構(gòu)以及易于組合成器件等特點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣。對(duì)一維納米材料形貌的控制、生長(zhǎng)機(jī)理的探索以及各種性能的測(cè)量與改進(jìn)，是人們研究的重點(diǎn)。眾所周知，硅是最重要的半導(dǎo)體材料，它和其化合物在微電子工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。隨著光通訊的發(fā)展，它們?cè)诠馔ㄓ嶎I(lǐng)域的應(yīng)用也引起了人們的廣泛關(guān)注。盡管人們對(duì)它們的一維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很多研究，但是其生長(zhǎng)機(jī)理、形貌與性能的關(guān)系以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究還需要

2、進(jìn)一步探索。 本論文首先綜述了目前硅及硅化物一維納米材料的制備和性能研究的主要進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，利用熱蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法(CVD)技術(shù)，制備了單晶硅納米線、花狀硅納米結(jié)構(gòu)、枝狀二氧化硅納米結(jié)構(gòu)、硅上多孔結(jié)構(gòu)、硅化鎳納米線，硅化鐵納米線和二氧化硅納米管等多種硅及硅化物一維納米材料，并研究了這些納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能，取得了如下主要的創(chuàng)新結(jié)果。 (1)利用不同技術(shù)，制備了多種形態(tài)的一維納米硅結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的性

3、能。實(shí)驗(yàn)采用CVD法，分別在硅片表面和多孔氧化鋁模板中生長(zhǎng)了直徑基本可控的硅納米線，并測(cè)試了其光致發(fā)光和光波導(dǎo)性能。研究結(jié)果表明：用CVD法制備的硅納米線表面光滑，直徑均勻，具有很好的光波導(dǎo)性能。用熱蒸發(fā)法制備的納米硅線具有明顯的光致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光峰在450am，實(shí)驗(yàn)顯示其發(fā)光中心來(lái)自納米硅線表面的氧化層。另外，利用熱蒸發(fā)法在鍍金硅片表面生長(zhǎng)了花狀硅納米結(jié)構(gòu)，顯示了明顯光熱增強(qiáng)效應(yīng)。 (2)采用熱蒸發(fā)法以鎂為催化劑生長(zhǎng)了二氧化硅

4、枝狀納米結(jié)構(gòu)。鎂在生長(zhǎng)過(guò)程中起兩種作用：1、鎂與一氧化硅反應(yīng)加快了一氧化硅的揮發(fā)；2、鎂刻蝕生成的二氧化硅納米線，形成反應(yīng)活性位置，促使枝狀結(jié)構(gòu)的生成。利用室溫光致發(fā)光譜(PL)和PL壽命譜研究了這種納米結(jié)構(gòu)的PL性能，發(fā)現(xiàn)這種納米結(jié)構(gòu)存在三個(gè)發(fā)光峰：峰位分別為380nm、414nm和434nm。這些發(fā)光峰與氧缺陷有關(guān)，枝狀結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)380和434nm發(fā)光峰。 (3)利用熱蒸發(fā)法在硅片表面形成了均勻的孔狀結(jié)構(gòu)，孔的直徑為100-

5、500nm，研究表明這些孔是由錫顆粒腐蝕硅表面形成的。這種方法制備過(guò)程簡(jiǎn)單且無(wú)污染。多孔結(jié)構(gòu)由二氧化硅組成，室溫PL譜表明在402nm處存在發(fā)光峰，這個(gè)發(fā)光峰與氧缺陷有關(guān)。根據(jù)孔的形成機(jī)理，我們利用快速熱處理法在硅片表面形成了直徑為20-120nm的孔。通過(guò)控制硅片表面錫膜的厚度和熱處理的時(shí)間，可以控制孔的直徑。這種方法形成的孔直徑更均勻，能耗更小。 (4)利用CVD法在鎳片、泡沫鎳、鎳網(wǎng)和鍍鎳硅片表面制備了直徑均勻的硅化鎳納米

6、線。硅化鎳納米線由底部粗納米線和頂部細(xì)納米線兩部分組成。降低生長(zhǎng)溫度、減小反應(yīng)氣體中硅烷濃度以及延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于細(xì)納米線的生成。采用合適的生長(zhǎng)參數(shù)可以得到陣列化生長(zhǎng)的硅化鎳納米線，這種納米線陣列具有很好的場(chǎng)發(fā)射性能，其場(chǎng)增強(qiáng)因子達(dá)到4280。在泡沫鎳上生長(zhǎng)的硅化鎳納米線，由于其具有高的比表面積，良好的導(dǎo)電性，可以很好的降低由于充放電弓I起的材料結(jié)構(gòu)的破壞，因此具有良好的鋰離子電池性能。20次循環(huán)后，600℃生長(zhǎng)的樣品的容量為0.233