一维β-Ga2O3纳米材料的制备与发光特性研究

论文摘要

一维纳米材料因其特殊的物理性能以及它在未来纳米电子器件、光电子器件和微传感器等多方面潜在的应用前景，吸引了人们广泛的注意，目前已成为纳米科技研究的热点之一。一维纳米材料的制备技术在纳米科学研究中占据极为重要的地位，尽管纳米材料的制备方法多种多样，但要获得结构、形态和尺寸可随意控制的纳米材料依然相当困难，对已有的制备方法和工艺加以改进和完善、实现一维纳米材料的可控性制备和操纵是一个极具挑战的课题。本论文用热蒸发CVD法制备了一维β-Ga2O3纳米材料，用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、X射线能谱仪（EDS）及光致发光（PL）等分析测试手段，对所制备的一维β-Ga2O3纳米材料的形貌、成分、结构以及发光性能进行了表征。研究了实验参数对热蒸发CVD法生长β-Ga2O3纳米结构和发光特性的影响。通过这些工作的开展，为实现Ga2O3一维纳米材料应用功能化打下良好的基础。本论文的主要研究内容及结果包括以下几个方面：1．在高温条件下（1050℃）直接加热金属镓（Ga），通入氧气作为反应气，利用氩气作载气得到不同形貌的低维β-Ga2O3纳米结构材料。XRD和Raman表征结果表明产物为单斜结构的单晶氧化镓（β-Ga2O3）。SEM和TEM研究发现产物主要为一维纳米带，同时还有少量的纳米片和纳米晶粒。其中，纳米带的宽度在50nm左右，长度有几微米至几十微米；纳米片宽度在100nm左右，其厚度小于30nm；纳米晶粒的尺度在50-150nm之间。2．分析了实验参数对热蒸发CVD法生长一维β-Ga2O3纳米结构形貌的影响，并探讨了材料的生长机理。实验参数包括蒸发温度、生长时间、气体流量、衬底与蒸发源之间的距离、催化剂以及催化剂颗粒的尺寸等。研究发现，不同实验参数下生成产物的晶体结构基本相同，都为单斜结构氧化镓（β-Ga2O3），但它们的形貌差别很大。在有Au催化制备一维β-Ga2O3纳米材料时，β-Ga2O3纳米材料的生长受气-液-固（VLS）机制和气-固（VS）机制的共同控制。对于没有任何催化剂制备一维β-Ga2O3纳米材料的生长则属于VS机制。3．研究了一维β-Ga2O3纳米材料的室温光致发光。在波长325nm紫外光激发下，一维β-Ga2O3纳米材料在中心波长512nm处有很强的绿光发光带。研究发现，该发光带来自于β-Ga2O3纳米结构中氧空位缺陷形成的施主能级与镓-氧空位对形成的受主能级之间的跃迁。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料与纳米科技概述
• 1.2 一维纳米材料的研究进展
• 1.3 一维纳米材料的制备方法与生长机制
• 2O₃的性质和应用'>1.4 β-Ga₂O₃的性质和应用
• 2O₃的晶体结构'>1.4.1 β-Ga₂O₃的晶体结构
• 2O₃的光学特性和应用'>1.4.2 β-Ga₂O₃的光学特性和应用
• 2O₃的电学特性和应用'>1.4.3 β-Ga₂O₃的电学特性和应用
• 2O₃的气敏特性和应用'>1.4.4 β-Ga₂O₃的气敏特性和应用
• 2O₃纳米材料的研究现状'>1.5 一维β-Ga₂O₃纳米材料的研究现状
• 1.6 本论文的选题思路以及研究内容
• 参考文献
• 2O₃纳米材料的制备技术和表征方法'>第二章 一维β-Ga₂O₃纳米材料的制备技术和表征方法
• 2O₃纳米材料常用的制备方法'>2.1 一维β-Ga₂O₃纳米材料常用的制备方法
• 2O₃纳米材料'>2.1.1 气相法合成一维β-Ga₂O₃纳米材料
• 2O₃纳米材料'>2.1.2 液相法合成一维β-Ga₂O₃纳米材料
• 2O₃纳米材料的表征方法'>2.2 一维β-Ga₂O₃纳米材料的表征方法
• 2.2.1 粉末X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 X射线能谱分析（EDS）
• 2.2.4 透射电镜分析（TEM）
• 2.2.5 拉曼光谱分析（Raman）
• 2.2.6 室温荧光光谱分析（PL）
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₃纳米材料的生长与机理研究'>第三章 一维β-Ga₂O₃纳米材料的生长与机理研究
• 2O₃纳米材料的热蒸发CVD制备'>3.1 一维β-Ga₂O₃纳米材料的热蒸发CVD制备
• 3.1.1 热蒸发CVD装置及工艺参数
• 2O₃纳米材料制备流程'>3.1.2 一维β-Ga₂O₃纳米材料制备流程
• 2O₃纳米材料的结构、成分与形貌'>3.2 一维β-Ga₂O₃纳米材料的结构、成分与形貌
• 3.2.1 结构和成份分析
• 3.2.2 形貌观察
• 2O₃结构和形貌的影响'>3.3 实验参数对一维β-Ga₂O₃结构和形貌的影响
• 3.3.1 蒸发温度
• 3.3.2 反应时间
• 3.3.3 气体流量
• 3.3.4 Au催化剂
• 3.3.5 蒸发源与衬底之间的距离
• 2O₃纳米材料生长机理讨论'>3.4 一维β-Ga₂O₃纳米材料生长机理讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2O₃纳米材料的发光性能研究'>第四章 一维β-Ga₂O₃纳米材料的发光性能研究
• 4.1 光致发光的基本原理
• 2O₃纳米材料发光性能的影响'>4.2 工艺参数对一维β-Ga₂O₃纳米材料发光性能的影响
• 4.2.1 形貌
• 4.2.2 氧流量
• 4.2.3 退火
• 4.2.4 Au催化剂
• 2O₃纳米材料发光机制的讨论'>4.5 一维β-Ga₂O₃纳米材料发光机制的讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 硕士期间科研成果
• 致谢