论文摘要
近年来,一维纳米结构,例如纳米管、纳米线、纳米带,以及纳米同轴电缆等,引起了人们广泛的研究兴趣,不仅是因为它们是研究尺度和维度决定的物理和化学性质的理想体系,而且它们在未来纳米器件中有着重要的潜在应用。虽然一维纳米材料的研究已经取得了长足进步,在短短的十几年间就完成了由材料制备向原型器件的跨越,但值得注意的是,如何在形貌、排列、成份、结构以及性质上可控制备一维纳米材料,依然是一个很大的挑战,而一维纳米材料的可控制备是其应用于纳米器件的前提和基础。围绕着一维纳米材料的可控合成及其物性,本文开展了一系列的研究工作,主要包括一下几个方面:1.氧化硅纳米线阵列的合成及其发光性能研究通过在氨气气氛下热蒸发熔融的Ga-Si合金,我们得到了一个半封闭、半透明的氧化硅气泡,在这个气泡的内壁上长满了大面积高度有序的非晶氧化硅纳米线。我们的实验结果清楚地表明,这些氧化硅纳米线阵列是以泡状的氧化硅薄膜为衬底,通过气—固（VS）机制生长的,而不是过去人们以液态金属Ga为核心催化生长非晶氧化硅纳米线阵列。有序SiOx纳米线阵列的光致发光谱显示了一个从290 nm到600 nm的宽发射带,高斯拟合分析表明,该宽发光带是由7个发光峰组成的,包括5个紫外发光峰,分别位于325 nm（3.82 eV）、350 nm（3.54eV）、365 nm（3.40 eV）、385 nm（3.22 ev）和390 nm（3.18 eV）;以及2个蓝色发光峰,分别位于430nm（2.88 eV）和475nm（2.61 eV）,我们认为这些发光峰与样品中的各种氧缺陷有关。2.三维球形CdS纳米锥阵列的合成及其结构和发光性能研究我们提出一种新的途径成功地同质外延生长出三维球形CdS纳米锥阵列,在这种方法中,我们设计自组装的Cd/CdS芯—壳球作为CdS纳米锥阵列生长的模板。我们发现沿着这些CdS纳米锥生长方向,稳定的纤锌矿结构和亚稳定的闪锌矿结构共格交替生长的现象。这种特殊的结构导致CdS纳米锥阵列显示出了量子阱的特征,并引起了两个光致发光峰,分别位于503nm（2.47 eV）和506nm（2.45 eV）。3.铜及其合金衬底上生长二元氮化物纳米线有序结构通过可调控的热蒸发法,我们在Cu和Cu95In5合金箔片衬底上合成出尺寸和密度可控的GaN微米/纳米锥束。通过调节生长温度和金属衬底的成份可以有效调控GaN锥束的尺寸和密度。利用X射线衍射、扫描和透射电镜对合成出的GaN锥束进行表征,表明GaN锥是单晶六方纤锌矿结构,生长方向是[10（?）1]方向。GaN锥束是以气—液—固机制生长的。我们还研究了GaN锥束的依赖于尺寸和密度的室温光致发光性能。此外我们还在蒸镀有金膜的Cu片上合成出排列有序的GaN纳米线,发现GaN纳米线优先生长在Cu片表面的“沟壑”处;在Cu片上合成出InN纳米棒阵列,发现InN纳米棒优先生长在Cu片表面晶界交汇处,我们认为这些纳米线（棒）的定位生长是由于这些地方的能量较高,最不稳定,最易于纳米线（棒）的形核生长。4.Ga催化生长三元合金Si-ZnS纳米线及其发光性质利用金属Ga为催化剂,通过一步热蒸发ZnS和SiO混合粉末,我们成功合成出大量的多晶三元合金Si-ZnS纳米线。利用X射线衍射、扫描和高分辨透射电镜表征合成出的三元合金Si-ZnS纳米线,发现三元合金Si-ZnS纳米线具有与立方ZnS或Si相同的结构。能谱分析表明,沿着三元合金Si-ZnS纳米线,Si/Zn/S的原子比例具有明显的变化。三元合金Si-ZnS纳米线的室温光致发光谱显示两个发光峰,分别位于355 nm和685 nm,显示了ZnS和Si叠加的发光特性。5.芯—壳异质纳米线的制备、表征和生长机理研究以Cu片为衬底,我们成功合成出了Cu-SiO2和ZnS-CuS芯—核纳米线:（1）Cu-SiO2纳米电缆:通过热蒸发SiO粉末,在Cu片衬底上生长出Cu-SiO2纳米电缆,其生长过程是,在高温下,Cu片衬底表面熔化出许多Cu液滴,这些Cu液滴催化生长出SiO2纳米管。随着SiO2纳米管的生长,管内外的气压差越来越大,当SiO2纳米管生长到一个临界长度,纳米管内外的气压差的作用下,Cu液滴中部分Cu就会从SiO2纳米管处析出,并随着SiO2纳米管一起生长,形成Cu-SiO2纳米电缆。我们发现Cu-SiO2纳米电缆优先生长在Cu片衬底表面的“沟壑”处,这是由于“沟壑”处能量较高,较不稳定,高温下这些地方最易熔化出Cu液滴来催化Cu-SiO2纳米电缆的生长。（2）ZnS-CuS芯—核纳米线:通过在H2气氛中热蒸发ZnS,在Cu片衬底上生长出了ZnS-CuS芯—核纳米线,其生长过程是,首先高温下ZnS分解成Zn和S的蒸气,并在Cu片村底所处的低温区通过VS法生长出ZnS纳米线,而Cu片衬底表面蒸发出的少量Cu蒸气也会与S蒸气反应生成CuS,并覆盖在ZnS纳米线表面,最终形成ZnS-CuS芯—核纳米线。