锗纳米线的水热沉积与表征

论文摘要

由于具有良好的光学、电学等物理性能,锗纳米线在纳米场效应晶体管、纳米光电器件以及纳米传感器等纳米器件领域具有广泛的应用前景。目前已采用激光烧蚀、热蒸发、化学气相沉积、溶剂热合成以及模板等多种方法制备出了锗纳米线,但仍存在制备温度高、制备过程较复杂等问题,限制了锗纳米线的进一步应用。本论文主要以锗、二氧化锗作为锗源,铜片为沉积衬底,采用水热沉积过程在较低的温度下制备出锗纳米线,研究不同锗源、衬底种类及水热条件对锗纳米线形成的影响,确定了合适的锗源、沉积衬底及较优的水热参数,这对高效制备锗纳米线以应用于纳米器件具有重要的意义,研究具有基础性和前瞻性,兼具重要的理论意义和潜在应用前景。以锗、二氧化锗为锗源,铜片为沉积衬底,在400℃、7.1-8.0 MPa时保温保压24h可以制备出直径分布范围70-500 nm,长度达30μm的核鞘结构单晶锗纳米线,在相似的水热条件下,仅以锗粉为锗源只得到无规则的颗粒,而仅以二氧化锗为锗源时得到了单晶锗酸铜纳米线,说明锗、二氧化锗的混合物是在铜片上水热沉积锗纳米线合适的锗源。通过对不同种类的衬底于400℃、7.1-8.2 MPa的水热条件下锗纳米线的制备的研究结果显示铜片是水热沉积锗纳米线合适的沉积衬底。通过较系统地研究不同水热工艺条件,如温度、压力及保温保压时间对锗纳米线形成的影响,确定250℃、3.5-3.7 MPa及保温保压12h是目前水热沉积锗纳米线较优的水热沉积工艺参数,随着温度的升高,锗纳米线的长度减少,而纳米线的直径变化不大。对锗纳米线生长机理的分析表明二氧化锗及铜片对水热沉积条件下锗纳米线的形成与生长起到了重要作用,提出了锗酸铜辅助生长机制,通过固态生长过程解释了锗纳米线的形成与生长。红外吸收光谱分析表明随着制备温度及压力的增加,Ge-O伸缩振动峰出现增强及宽化现象。Raman光谱分析表明锗纳米线在298 cm-1位置处存在锗的特征峰,对比于块体锗的拉曼峰,锗纳米线的拉曼峰出现红移及不对称性宽化现象,这主要是由于纳米线中纳米晶体的小尺寸效应及声子限制效应引起的。紫外吸收光谱分析表明锗纳米线在330 nm和380 nm处存在两个较弱的紫外吸收峰。光致发光PL测试结果表明锗纳米线具有较强的蓝光PL发射能力,最高发射峰位于436-442nm,发射范围约400-500nm,发射峰不对称,出现了不均匀宽化现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锗纳米线的制备方法
• 1.2.1 溶剂热合成法
• 1.2.1.1 加金属催化剂
• 1.2.1.2 不加金属催化剂
• 1.2.2 CVD 法
• 1.2.3 模板法
• 1.2.4 激光烧蚀法
• 1.2.5 其他方法
• 1.3 锗纳米线的性能
• 1.3.1 电学性能
• 1.3.2 光学性能
• 1.3.3 其他性能
• 1.4 锗纳米线的应用
• 1.4.1 锗纳米线应用前的处理
• 1.4.2 在场效应晶体管（FET）方面的应用
• 1.5 选题的目的、意义及主要内容
• 1.5.1 选题的目的与意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第二章 锗纳米线的制备过程及表征方法
• 2.1 引言
• 2.2 原料及设备
• 2.3 制备流程
• 2.4 基本工艺参数的确定
• 2.4.1 原料比率的确定
• 2.4.2 制备温度、压力的确定
• 2.4.3 容器填充度的确定
• 2.5 分析表征方法
• 2.5.1 显微形貌的观察与成分分析
• 2.5.1.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.1.2 能谱分析（EDS）
• 2.5.1.3 透射电子显微镜（TEM）及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.5.2 结构分析
• 2.5.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.5.2.2 拉曼（Raman）光谱
• 2.5.2.3 红外（IR）光谱
• 2.5.3 紫外吸收（UV-vis）光谱
• 2.5.4 光致发光（PL）光谱
• 第三章 不同锗源及衬底条件下锗纳米线的制备
• 3.1 引言
• 3.2 不同锗源时锗纳米线的制备
• 3.2.1 锗、二氧化锗的混合物作为锗源
• 3.2.1.1 SEM、EDS 能谱分析
• 3.2.1.2 XRD 分析
• 3.2.1.3 TEM 分析
• 3.2.1.4 HRTEM 分析
• 3.2.2 锗粉作为锗源
• 3.2.3 二氧化锗作为锗源
• 3.2.3.1 XRD 分析
• 3.2.3.2 SEM、EDS 及TEM 分析
• 3.2.3.3 HRTEM 分析
• 3.2.4 水热沉积锗纳米线的生长机理分析
• 3.3 其他衬底时锗纳米线的制备
• 3.3.1 镍片作为衬底
• 3.3.2 硅片作为衬底
• 3.3.3 铁片作为衬底
• 3.3.4 锌片作为衬底
• 3.3.5 铝片作为衬底
• 本章小结
• 第四章 水热条件对锗纳米线形成的影响
• 4.1 引言
• 4.2 温度对锗纳米线形成的影响
• 4.3 压力对锗纳米线形成的影响
• 4.4 保温保压时间对锗纳米线形成的影响
• 4.5 低温条件下锗纳米线的生长机理分析
• 本章小结
• 第五章 锗纳米线的光谱及光学性能
• 5.1 引言
• 5.2 IR 光谱分析
• 5.3 Raman 光谱分析
• 5.4 UV-vis 光谱分析
• 5.5 PL 性能分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢