等离子体及化学气相沉积法合成一维纳米材料及性能研究

论文摘要

始于上世纪八十年代末的纳米研究热潮近二十年来取得了迅猛的发展,席卷材料、信息、绿色制造、生物和医学等领域,被认为将来可能对国家核心竞争力的提升起到重要推进作用。作为纳米科技发展关键的纳米材料制备领域由此受到广泛关注。当前纳米材料制备研究的重点在于强调对材料成分、结构和形貌的控制。这是因为晶体结构具有各向异性,在不同方向上具有不同的物理和化学性质,在纳米尺度上,材料的形貌会对其性能产生重要的影响。本论文以气相合成的可控生长为主线,通过改变实验条件和参数,并在反应中引入等离子体方法,实现对纳米材料形貌、结构和化学组分的调控,并研究了它们的物理性能。研究工作主要包括三个部分:（1）化学气相沉积法合成氮化铝纳米针和纳米棒阵列并对其场发射性能进行研究。把三氯化铝放在管式炉中加热蒸发与氨气反应,通过调节体系中三氯化铝蒸汽浓度与氨气浓度之比,来控制反应过程中产物的表面扩散,从而控制产物的最终形貌。最终得到了沉积在硅片上的大范围均匀阵列排布的氮化铝纳米针和纳米棒。对氮化铝纳米针和纳米棒的生长机制作了分析,详细讲述了成核的过程以及体系中Al/N原子比对反应过程中表面扩散的影响。最后,对氮化铝纳米针和纳米棒的场发射性能作了研究,证明纳米针结构对场发射性能有大幅度的改善。这部分工作主要注重于对反应过程中表面扩散的控制以及氮化铝纳米形貌对场发射性能的影响。（2）化学气相沉积法对氧化锌纳米结构的形貌调控。把锌粉放在管式炉中加热蒸发时,因反应物种浓度在反应器的轴向变化而产生一段过饱和度梯度。通过调节实验参数可以得到在不同过饱和度条件下的生成物。论述了纤锌矿氧化锌在c方向上内禀的不对称性如何在特定的条件下被放大凸显出来或者被抹杀。最后,把在氧化锌体系中得到的经验移植到硫化镉纳米结构的生长中去,具有良好的适用性。这部分的工作主要注重于过饱和度对形貌的控制。（3）微波等离子体辅助的铝-氧-氮一维纳米材料生长。氧化铝是一种优质的功能结构陶瓷材料,而铝-氧-氮的机械性能更好。文献中对氧化铝一维纳米结构的报道极少,而对于铝-氧-氮一维纳米结构则尚未有报到。我们用铝粉在氩氮氢气氛中加热蒸发沉积,在反应过程中运用微波等离子体手段辅助生长,得到铝-氧-氮的纳米线以及纳米带。不运用等离子体的对照试验,则只能得到氧化铝的纳米线。这部分工作主要注重于等离子体对反应产物形貌和化学成分的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米科学概论
• 1.1.1 纳米科学的兴起与发展
• 1.1.2 半导体纳米材料的基本性质
• 1.1.3 半导体纳米材料的应用前景
• 1.2 纳米材料科学现状
• 1.3 一维纳米材料的制备方法
• 1.3.1 液相法
• 1.3.2 气相法
• 1.4 低温等离子体的特性及应用
• 1.4.1 等离子体的生成与特性
• 1.4.2 低温等离子体合成的特点
• 1.4.3 低温等离子体的应用
• 1.5 研究方向的提出
• 第二章氮化铝一维纳米材料形貌控制及场发射性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验装置及流程
• 2.2.2 产物表征设备
• 2.3 氮化铝纳米结构分析
• 2.3.1 纳米针的结构
• 2.3.2 纳米棒结构
• 2.3.3 氮化铝棱锥
• 2.4 氮化铝纳米结构的形貌调控因素
• 2.4.1 催化剂对产物形貌影响
• 2.4.2 氨气分压对产物形貌的影响
• 2.4.3 三氯化铝分压对产物形貌的影响
• 2.5 氮化铝一维纳米材料的生长机制
• 2.5.1 一维纳米材料的生长机制
• 2.5.2 氮化铝纳米针和纳米棒的生长机制
• 2.6 场致电子发射的基本原理和研究背景
• 2.6.1 场致电子发射的基本原理
• 2.6.2 场致电子发射的研究背景
• 2.7 氮化铝纳米针尖和纳米棒阵列的场发射性能研究
• 2.7.1 氮化铝纳米材料场发射研究现状
• 2.7.2 场致电子发射的实验仪器
• 2.7.3 场发射测量的实验过程
• 2.7.4 氮化铝纳米针尖和纳米棒阵列的场发射性能测试
• 2.8 本章小结
• 第三章 氧化锌及硫化镉的气相合成与形貌控制
• 3.1 氧化锌纳米结构合成
• 3.1.1 实验思路
• 3.1.2 实验装置及流程
• 3.1.3 产物表征
• 3.1.4 实验机理
• 3.2 硫化镉纳米结构合成
• 3.2.1 实验思路
• 3.2.2 实验装置及流程
• 3.2.3 硫化镉鱼骨结构
• 3.2.4 硫化镉与氧化锌相似的形貌
• 3.2.5 表面絮状物的产生
• 3.2.6 温度对产物形貌影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 铝-氧-氮一维纳米材料的微波气相合成
• 4.1 铝-氧-氮一维纳米材料的研究背景
• 4.2 化学气相沉积法合成氧化铝纳米线
• 4.2.1 实验装置及流程
• 4.2.2 产物表征
• 4.3 微波等离子体法合成 Al-O-N 纳米线和纳米带
• 4.3.1 实验装置及流程
• 4.3.2 等离子体光谱分析
• 4.3.3 反应产物表征
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 文献
• 作者博士期间论文发表以及学术活动
• 致谢