金属纳米结构的制备及其光电特性研究

论文摘要

本论文报道了在直流电场作用下利用快离子导体薄膜合成金属纳米结构的固态离子学方法。通过合理选择快离子导体薄膜和控制相应的实验条件,制备出了不同形貌的金属纳米结构。首次实现了在扫描电镜下对金属纳米结构生长过程的实时原位观测,从而揭示了用固态离子学方法制备金属纳米结构的机理。在此基础上通过进一步改进实验条件,制备出了宏观尺度有序排列的金属纳米结构阵列,并对其光电子学特性进行了系统地研究。首先,选择银膜作电极,采用高离子电导率的RbAg4I5薄膜作为银离子传输媒介,通过控制外加直流电场的强度,制备出了银纳米线、纳米管及纳米颗粒阵列等形态各异的纳米结构,并实现了对纳米线阵列排列有序度的人工控制。其次,采用铜膜作电极,选择相应快离子导体薄膜作为铜离子的传输媒介,经过反复实验,最终制备出形状各异的铜纳米结构,并研究了温度和电场强度对铜纳米结构形貌的影响。在扫描电镜下实时原位观测了银纳米结构的生长过程,揭示了其顶端生长的机理,研究了电场强度对金属纳米结构形貌的影响。在深刻理解生长机理的基础上,我们将控制纳米结构生长的恒压电场改变为恒流电场,最终制备出了长度达到厘米量级的有序排列的金属纳米结构阵列,该项成果为国际首创。借助于扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等手段对样品的形貌和晶体结构进行了分析。用四端接线法测量其伏安特性和电阻温度特性,研究结果表明金属纳米结构的温度系数远小于相应体材料的温度系数。利用532 nm和10600 nm的激光研究了金属异质结构的光电特性,首次提出了金属异维结的概念,并发现异维结中产生的光致电流随着激光强度的增大而线性增加,其电子流的方向总是从低维的纳米结构流向最邻近的宏观金属电极。此外,论文还对宏观长氧化亚铜半导体纳米结构的制备及其光敏特性进行了研究。作为金属纳米结构在宏观体系中应用的实例,我们将银纳米线阵列制备成拉曼增强基底,并研究了银纳米线阵列的密度和排列有序度对诺丹明6G样品的拉曼增强效果的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 金属纳米结构材料
• 1.2 银/铜纳米结构材料
• 1.2.1 银/铜纳米材料的研究现状
• 1.2.2 银/铜纳米材料的合成方法
• 1.3 快离子导体材料概述
• 1.3.1 快离子导体材料的特性及导电机理
• 1.3.2 快离子导体材料的分类及应用
• 1.4 选题思路及论文的主要研究内容
• 1.5 选题意义
• 第2章 固态离子学方法的相关原理
• 2.1 固态离子学方法的实验原理
• 2.2 固态离子学方法的实验装置及步骤
• 2.3 快离子导体传导离子的原理
• 2.4 用固态离子学方法制备金属纳米材料的优点
• 第3章 快离子导体薄膜的制备研究
• 3.1 薄膜制备方法的选择
• 3.2 真空热蒸发镀膜原理及设备
• 3.3 真空热蒸镀快离子导体薄膜的实验参数的确定
• 3.3.1 真空度
• 3.3.2 蒸发速率
• 3.3.3 待蒸发材料的配比
• 3.3.4 蒸发源
• 3.3.5 基底及基底温度
• 3.4 真空热蒸镀快离子导体薄膜的的工艺流程
• 第4章 影响纳米材料生长效果的各种因素
• 4.1 快离子导体薄膜的选择对银纳米材料的影响
• 4.2 电场强度对银纳米材料形貌的影响
• 4.3 电场强度对银纳米材料排列有序度的影响
• 4.4 电场强度对铜纳米材料形貌的影响
• 4.5 温度对铜纳米材料形貌的影响
• 第5章 纳米材料生长机理的实时原位研究
• 5.1 生长过程研究
• 5.2 顶端生长机理
• 5.3 电场强度对纳米结构生长的影响
• 5.4 生长过程中的顶端优势
• 第6章 宏观长有序纳米线阵列的直接合成
• 6.1 宏观长有序银纳米阵列的合成
• 6.2 电流对银纳米线阵列的影响
• 6.3 宏观有序铜纳米阵列的合成
• 第7章 宏观有序纳米线阵列的性质
• 7.1 有序排列的纳米线阵列的电学特性
• 7.2 银纳米线阵列的光电特性
• 7.3 氧化亚铜包裹铜纳米线阵列的光敏特性
• 7.4 宏观有序纳米线阵列的偏振特性
• 第8章 银纳米线阵列的拉曼增强特性
• 8.1 宏观有序银纳米线薄膜的拉曼增强特性
• 8.2 银纳米线排列有序度和密集度对拉曼增强效果的影响
• 第9章 电子束诱导构建纳米器件的构思
• 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果