一維金屬氧化物納米材料的氣相合成與發(fā)光性能研究.pdf

1、一維納米材料不僅是研究電、光、磁、熱等基本物理性質(zhì)尺寸與維度依賴的理想體系，而且可以作為連接與功能組元在“由下至上”設(shè)計(jì)與構(gòu)建新一代電子、光電器件中發(fā)揮不可替代的作用。雖然一維納米材料的研究已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，在短短的十幾年間就完成了由材料制備向原型器件的跨越，但如何在形貌、排列、成份、結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)上可控制備一維納米材料，依然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，而一維納米材料的可控制備是其應(yīng)用于納米器件的前提和基礎(chǔ)。圍繞著一維納米材料的可控合成及其物性，

2、本文開展了一系列的研究工作，主要的研究工作及結(jié)果如下：
　　 1.Ga2O3/In2O3 三維納米分級(jí)結(jié)構(gòu)研究通過簡單的氣相合成方法得到了自組裝的氧化鎵納米棒和氧化銦納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是帶有四次對(duì)稱或六次對(duì)稱的新型三維異質(zhì)納米分級(jí)結(jié)構(gòu)。主干氧化銦納米結(jié)構(gòu)是通過鎵催化的VLS生長機(jī)制來合成的，然后又充當(dāng)模板，使氧化鎵通過該模板形成氧化鎵納米棒。所合成的Ga2o3/In2o3異質(zhì)納米分級(jí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一個(gè)強(qiáng)烈的藍(lán)色發(fā)光峰，約在494nm（

3、2.51eV）處。
　　 2.鏈球狀I(lǐng)n2Ge2O7和ZnGeO3的合成與發(fā)光性能研究在沒有使用催化劑的情況下，用簡單的熱蒸發(fā)方法成功地合成了大量的In2Ge2O7納米帶、鏈球狀I(lǐng)n2Ge2O7芯/非晶GeO2殼納米電纜和鏈球狀GeO2/ZnGeO3 晶體結(jié)構(gòu)。利用X射線衍射、掃描和高分辨透射電鏡表征合成出的產(chǎn)物。In2Ge2O7納米帶具有層狀的鈧釔石型(Sc2Si2O7)結(jié)構(gòu)，其生長過程是基于氣－固生長機(jī)制，生長方向是[210

4、]，在室溫光致發(fā)光光譜中可以觀察到一個(gè)強(qiáng)而且很寬的在410nm處的發(fā)光峰。In2Ge2O7/GeO2納米電纜的生長過程是基于氣－固生長機(jī)制，鏈球狀納米電纜的芯部是單晶In2Ge2O7納米線，直徑大概是30nm，殼層是非晶GeO2的鏈狀結(jié)構(gòu)，PL譜經(jīng)過擬合可以得到四個(gè)發(fā)光峰，分別是401 nm、448.5 nm,、466.5 nm和491 nm。鏈球狀GeO2/ZnGeO3產(chǎn)物主要由GeO2組成，另外還混有少量的ZnGeO3，該鏈狀結(jié)構(gòu)包

5、含兩個(gè)部分：橢球部分和直線部分，電子能譜分析表明該結(jié)構(gòu)的不同部分由不同的成分組成，室溫光致發(fā)光譜顯示所合成的結(jié)構(gòu)有一個(gè)很強(qiáng)的488.5納米處的發(fā)光峰。
　　 3.In摻雜ZnO和In 摻雜Ga2O3納米材料的制備采用熱蒸發(fā)方法首次合成了在納米線徑向上具有周期納米孿晶結(jié)構(gòu)、高摻雜濃度的單晶ZnO納米線，并提出一種結(jié)合VLS機(jī)制和∑3孿晶界的141o凹角模型解釋了納米線的生長。光致發(fā)光的測量發(fā)現(xiàn)摻雜 ZnO 納米帶的紫外(UV)發(fā)光

6、峰相比未摻雜的樣品明顯紅移并且展寬。認(rèn)為發(fā)光峰的紅移歸結(jié)于半導(dǎo)體能隙的縮窄，而展寬則歸結(jié)于非均勻摻雜及摻雜導(dǎo)致的帶尾態(tài)的影響。
　　 在1000℃溫度條件下，通過熱蒸發(fā)金屬Ga和In2O3的混合物，合成了In摻雜Ga2O3“Z”字型納米線和未摻雜的Ga2O3納米線。這些納米線的生長過程是基于氣－固生長機(jī)制。研究顯示直徑均勻的納米線直徑大約為100nm，而“Z”字型納米線直徑約為幾百納米。在室溫光致發(fā)光譜中，只觀察到一個(gè)強(qiáng)而寬的發(fā)

7、光帶，中心位于457nm處，屬于綠光區(qū)，是由氧空位和鎵氧空位對(duì)的復(fù)合輻射發(fā)光引起的。
　　 4.自催化生長ZnGa2O4和Zn2SnO4納米線采用氣相法成功地制備出尖晶石礦(立方)結(jié)構(gòu)的三元氧化物ZnGa2O4的納米線。在產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的單晶ZnGa2O4的納米線，直徑較為均勻，沿[111]方向生長，通過對(duì)ZnGa2O4納米線生長機(jī)理的深入研究，提出一種自催化生長機(jī)制來解釋三元氧化物ZnGa2O4納米線的生長。同樣，在沒有使

8、用任何襯底和催化劑的情況下，采用熱蒸發(fā)法合成了大量的Zn2SnO4納米線結(jié)構(gòu)，HRTEM測試表明產(chǎn)物擁有良好的單晶結(jié)構(gòu)，[311]是納米線的主要生長方向，自催化VLS生長機(jī)制被認(rèn)為是納米線的主要生長機(jī)理。在室溫下的Zn2SnO4納米線光致發(fā)光譜顯示，該種納米材料具有一個(gè)較寬的發(fā)光帶，發(fā)光峰中心的峰值為580nm。
　　 5.Al2O3/SiO2、ZnS/SiO2同軸納米異質(zhì)結(jié)通過熱蒸發(fā)法成功合成了大量具有周期孿晶結(jié)構(gòu)的Al2O3

9、/SiO2同軸納米線異質(zhì)結(jié)和ZnS/SiO2同軸納米電纜。Al2O3/SiO2同軸納米線異質(zhì)結(jié)的生長過程是基于氣－固生長機(jī)制，研究表明這種具有兩層結(jié)構(gòu)的納米線線徑均勻，直徑范圍大約在100-150nm之間。其中芯部為直徑約為50nm的具有孿晶結(jié)構(gòu)的Al2O3納米線，外層為非晶SiO2外殼。在室溫測得的PL譜經(jīng)過擬合可以得到三個(gè)發(fā)光峰，分別是364 nm、398 nm和442 nm。ZnS/SiO2同軸納米電纜的ZnS芯具有典型的立方閃鋅