硅纳米线阵列的制备及性能研究

论文摘要

硅材料的禁带宽度较窄,为间接带隙半导体,发光效率很低。当硅材料的尺寸减小至纳米尺寸时,由于量子尺寸效应,硅的禁带宽度变大,由间接带隙变为直接带隙,发光效率大幅度增加,可在光电领域得到广泛的应用。目前硅纳米材料的制备方法多种多样,如何采用简单的、可工业化生产的方法制备硅纳米材料是目前存在的一个问题。本文分别对硅纳米线阵列的制备及多孔硅纳米线阵列在光催化方面的应用展开系统深入的研究。1.采用一步化学刻蚀法制备了硅纳米线阵列,通过扫描电镜对制备的样品进行表征,分析了硝酸银浓度、氢氟酸浓度、温度以及腐蚀时间等实验参数对硅纳米线阵列结构的影响,从而获得优化硅纳米结构的合成参数范围为：HF浓度：3.6M-4.8M; AgNO3浓度：0.01M-0.02M；反应温度：25℃-50℃；反应时间：30min-60min。通过XRD衍射分析表明制备的硅纳米线阵列为单晶结构,对硅纳米线阵列的拉曼光谱、反射光谱进行了分析表征,并对硅纳米线阵列的形成机理进行了分析。2.采用两步刻蚀法制备了多孔硅纳米线阵列,通过扫描电镜、高分辨透射电镜对其微观形貌及结构进行了分析表征,结果表明多孔硅纳米线阵列保持了基体硅片的晶体结构,孔道直径在2-20nm之间。采用简单的化学方法对多孔硅纳米线阵列分别进行了氢终端、铂粒子、金粒子等功能修饰。通过FTIR、XRD、SEM对不同方法表面修饰的多孔硅纳米线阵列的表面结构、化学组分进行了表征。3.以罗丹明B与亚甲基蓝的降解实验研究了几种不同表面修饰的多孔硅纳米线阵列的光催化性能。发现以多孔硅纳米线阵列、Pt修饰多孔硅纳米线阵列及Au修饰多孔硅纳米线阵列作催化剂的情况下,罗丹明B的吸光度变化很小；而在氢终端多孔硅纳米线阵列存在的情况下,吸光度变化很大。可见通过HF处理后多孔硅纳米线阵列的光催化能力得到了明显的提高,而金属修饰却对多孔硅纳米线阵列的光催化性能几乎没有任何改善。催化实验表明氢终端多孔硅纳米线阵列具有优异的光催化能力,分析了表面功能修饰改善硅纳米线阵列光催化性能的理论机制,结果表明优异的光催化性能归因于多孔硅纳米线阵列表面的Si-Hx键。这为硅纳米材料在光催化领域的应用开辟了一个新的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅纳米材料的研究背景
• 1.3 硅纳米线的研究现状
• 1.3.1 硅的基本性质
• 1.3.2 硅纳米线的制备方法
• 1.3.3 硅纳米线的性能
• 1.3.4 硅纳米线的应用
• 1.4 其它硅纳米材料的研究现状
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 实验内容及测试方法
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 材料的表征方法
• 2.2.1 X射线衍射
• 2.2.2 场发射扫描电镜
• 2.2.3 高分辨透射电镜
• 2.2.4 傅里叶红外光谱
• 2.2.5 拉曼光谱
• 2.2.6 光催化性能测试
• 第三章 化学刻蚀法制备硅纳米线阵列
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 硅纳米线阵列的制备
• 3.2.1.1 硅片的清洗
• 3.2.1.2 制备过程
• 3.2.2 样品的表征
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 各种实验参数对硅纳米线阵列的影响
• 3.3.1.1 HF浓度对硅纳米线阵列的影响
• 3.3.1.2 硝酸银浓度对硅纳米线阵列的影响
• 3.3.1.3 反应温度对硅纳米线阵列的影响
• 3.3.1.4 反应时间对硅纳米线阵列的影响
• 3.3.2 X射线衍射分析
• 3.3.3 拉曼光谱分析
• 3.3.4 漫反射光谱分析
• 3.3.5 硅纳米线阵列的生长机理
• 3.3.6 不同化学刻蚀法得到的两种特殊纳米结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 氢终端多孔硅纳米线阵列的光催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 多孔硅纳米阵列的制备
• 4.2.2 多孔硅纳米线阵列的修饰
• 4.2.3 样品的表征
• 4.2.4 光催化性能测试
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 多孔硅纳米线阵列的扫描电镜与高分辨透射电镜分析
• 4.3.2 傅里叶变换红外光谱分析
• 4.3.3 X射线衍射分析
• 4.3.4 Pt、Au修饰多孔硅纳米线阵列的扫描电镜分析
• 4.3.5 光催化性能分析
• 4.3.6 光催化降解机理
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表