氧化镓准一维纳米材料制备、特性及应用的基础研究

论文摘要

准一维纳米材料,如纳米管、纳米线、纳米带等,以其特殊的物理和化学性质,以及在纳米器件、光电子器件、微传感器等多方面潜在的应用前景,已成为纳米科技研究的热点。目前国内外对准一维纳米材料的研究还处于初步阶段,主要集中在两个方面:如何运用简单有效的方法制备准一维纳米材料;对准一维纳米材料基本特性测试,如光学特性、电学特性等。本文对准一维纳米材料氧化镓进行了研究,运用微波等离子体法制备了氧化镓准一维纳米材料,并研究了氧化镓纳米带的光学性能以及纳米带和纳米线的电学性能。主要研究内容包括以下几个方面:探索了用微波等离子体法制备氧化镓准一维纳米材料的方法,在600W微波条件下使水蒸气和金属Ga直接反应,在基底硅片上生成大量具有单晶结构的准一维纳米材料,其中包括纳米线、纳米带、纳米片和纳米草等。其中纳米线的直径约为20-30nm,长约几十到几百微米,纳米带的厚度约为20-30nm,长约几十到几百微米。与文献中报道的其它方法比较起来,该方法显著降低了反应温度,有价值推广至其它金属氧化物准一维纳米材料的制备。用微波等离子体方法还制备出一种新颖的纳米结构,由纳米带弯曲而成的纳米环,其中纳米环的直径约为0.2-1μm,厚度约为10-40nm,宽度20-150nm。在对产物形貌与晶体结构分析的基础上探讨了这些准一维纳米材料的生长机理。在Au排列的纳米颗粒催化剂的辅助下,运用微波等离子体法制备出大规模的氧化镓纳米带阵列。而且催化剂Au纳米颗粒的使用明显促进了氧化镓纳米结构的形成,其生长过程受VLS和VS机理共同控制。自组装技术在纳米科技的发展过程中起到了重要作用。本文中将通过溶剂蒸发纳米带分散液在硅片基底上形成有序排列氧化镓纳米带薄膜。经过分析,悬浮液中微粒之间紧密排列自组装行为是由毛细作用驱动的,推出氧化镓纳米带的紧密排列的主要因素是毛细作用。另外初步研究了悬浮液液面形状和溶液浓度对于氧化镓自组装行为的影响。这种毛细作用驱动的自组装技术可以进一步推广到其它准一维纳米材料。探讨了不同的退火温度和不同退火时间对氧化镓纳米带的表面形态和光致发光的影响。氧化镓纳米带在250nm激发光下主要发蓝光,其光致发光谱上伴随有较弱的紫外发光峰。其中440nm的蓝光是由于氧空位形成的施主和镓空位形成的受主复合而激发出的光。而320nm处的紫外光是由于随着温度升高,施主上的电子被导带捕获,而受主的空穴也失去俘获进入价带形成空穴受主。这些导带的电子和受主空穴复合形成自获激发的紫外光。氧化镓纳米带在325nm激发光下可以在430nm处发射出蓝光,也是由于氧空位形成的施主和镓空位形成的受主复合而激发出的光。在325nm条件下,只有蓝色发光峰是由于325nm激发波长不能激发出320nm的紫外发光峰,能量偏小。无论激发波长是250nm还是325nm,随着退火温度和退火时间的升高,氧化镓纳米带的发光峰峰位不变,但是蓝色发光峰强度逐渐降低紫外发光峰的强度却逐渐升高。而且退火对于氧化镓纳米带的表面形态没有影响。将氧化镓纳米带和纳米线成功搭接到梳状电极上,构成FET器件在150℃下,测出了氧化镓纳米带和纳米线的I-V特性。同一漏电压VSD下,随着栅电压VG由负变正,并且越来越大时,电导率逐渐变大,说明β-Ga2O3纳米线和纳米带在150℃时是n型半导体。研究表明改变栅压可以对器件的电导起到调制作用。估算出β-Ga2O3纳米线和纳米带的载流子浓度和迁移率分别为3.2×108cm-1和1.25×10-2cm2/V·s,3.6×1013cm-3和7.9 cm2/V·s。自组装β-Ga2O3纳米带薄膜,通过银浆与铂金丝线相连构筑自组装β-Ga2O3纳米带薄膜气体传感器。在不同温度和O2浓度情况下研究了自组装β-Ga2O3纳米带薄膜得电学性能。温度高,且O2浓度高使得自组装β-Ga2O3纳米带薄膜电导率越高,说明自组装β-Ga2O3纳米带薄膜气体传感器对高温O2具有很好的传感性能。对氧化镓准一维纳米材料的研究过程中,以现有的理论手段和实验手段为基础,结合纳米技术的研究方法,得到了一种能同时制备几种氧化镓纳米材料的新方法,并研究了氧化镓纳米带的光致发光、氧化镓纳米带和纳米线的电学性质,构筑出简单的纳米器件和自组装氧化镓纳米带薄膜的气体传感器。氧化镓准一维纳米材料在纳米光电材料、纳米半导体材料上的应用将是一种较强的竞争选择。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料概述
• 1.3 准一维纳米材料研究意义和现状
• 1.4 准一维纳米材料生长机理
• 1.5 准一维纳米材料物性研究
• 1.6 纳米组装技术的研究
• 1.7 论文选题背景和研究内容
• 20₃准一维纳米材料微波等离子体法制备'>第二章 β-GA₂0₃准一维纳米材料微波等离子体法制备
• 2.1 引言
• 20₃ 准一维半导体纳米材料研究现状和意义'>2.2 β-GA₂0₃准一维半导体纳米材料研究现状和意义
• 2.3 等离子体
• 2.4 实验装置
• 2.5 实验方法
• 2.6 实验结果分析
• 2.7 实验最佳工艺参数的确定
• 20₃ 纳米环制备条件及结果分析'>2.8 β-GA₂0₃纳米环制备条件及结果分析
• 2.9 本章小结
• 20₃纳米带结构制备'>第三章 催化剂辅助生长具有取向性排列β-GA₂0₃纳米带结构制备
• 3.1 引言
• 3.2 准一维纳米材料具有取向性制备的研究
• 20₃ 准一维纳米材料具有取向性阵列研究'>3.3 β-GA₂0₃准一维纳米材料具有取向性阵列研究
• 3.4 实验方法
• 3.5 实验结果与分析
• 20₃ 纳米带阵列的影响'>3.6 不同工艺参数对制备β-GA₂0₃纳米带阵列的影响
• 3.7 本章小节
• 第四章 氧化镓纳米带自组装排列薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 自组装技术在纳米材料发展应用中的重要作用
• 4.3 自组装纳米材料薄膜的意义
• 4.4 毛细作用自组装技术
• 20₃ 纳米带自组装薄膜'>4.5 毛细作用下形成Β-GA₂0₃纳米带自组装薄膜
• 4.6 实验方法
• 4.7 实验产物的表征
• 4.8 实验结果与讨论
• 4.9 实验的主要因素讨论
• 4.10 本章小结
• 20₃纳米带的光学性能'>第五章 β-GA₂0₃纳米带的光学性能
• 5.1 引言
• 5.2 光致发光的基本原理
• 5.3 半导体纳米材料的发光特性
• 20₃ 的光致发光机理'>5.4 β-GA₂0₃的光致发光机理
• 5.5 实验方法
• 5.6 实验结果
• 5.7 实验结果分析
• 5.8 本章小结
• 20₃准一维纳米材料的电学性能'>第六章 β-GA₂0₃准一维纳米材料的电学性能
• 6.1 引言
• 6.2 准一维纳米材料构筑的FET
• 6.3 氧化镓纳米带薄膜气体传感器
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 总结
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文