金属氧化物（ZnO、SnO2）半导体纳米材料的制备、表征及其应用

论文摘要

众所周知,许多金属氧化物是具有特殊物理化学性能的功能材料,在催化剂、微电子器件、能量储存与转化等诸多领域有着广泛的应用。氧化锌（ZnO）和氧化锡（SnO2）以其优异的光电性质以及高灵敏的气敏性质一直被认为是金属氧化物中最有应用前景的两种功能材料,它们都是典型的n型宽禁带直接半导体,其室温禁带宽度分别为3.37 eV和3.65 eV。最近几年,科研人员投入了相当大的精力对各种类型ZnO和SnO2纳米材料的合成、表征以及它们在纳米器件领域中的应用进行了深入研究。鉴于它们在未来功能器件中的重要性,ZnO和SnO2这两种金属氧化物被确定为本人博士论文期间的研究内容。本博士论文将主要围绕三大研究方向进行:（1）单一ZnO和SnO2纳米材料的合成和表征;（2）ZnO和SnO2单根纳米线器件的研制和应用;（2）核壳型ZnO/SnO2复合材料及其相应SnO2空心材料的合成与表征。研究工作共分为十章,研究结果可以概括如下:第一章:简要地对ZnO和SnO2这两种金属氧化物的基本特性以及在纳米材料领域的相关研究进行综述,阐明我们的选题依据以及研究内容。第二章:以锡烷（SnH4）为气态前驱体,运用化学气相沉积法在喷金的硅片基底上沉积得到了高产率的SnO2纳米线。电镜测试结果表明这些SnO2纳米线的生长符合气-固-液（VLS）机理,其阴极荧光测试结果表明纳米线的发光性质与晶体内部中的氧缺陷浓度密切相关。此外,通过一种自催化的VLS机制,进一步合成得到了由SnO2纳米棒构成的花状聚集体。第三章:运用不同的合成方法获得了三种典型ZnO纳米结构（四角叉、纳米棒和纳米线）。基于各种电镜分析结果并结合ZnO晶体结构的自身特点,我们对这些ZnO纳米结构的生长机理进行了深入的探讨,并利用光致发光和阴极荧光两种表征手段对它们的光学性质进行了细致的研究。第四章:以单根ZnO纳米线和SnO2纳米线为结构基元,利用光刻、聚焦离子束沉积等微加工技术在硅片基底上构筑了简单的纳米线器件。基本电学测试结果表明金属氧化物半导体纳米线与金属电极的接触情况可以通过用聚焦离子束沉积金属Pt的方式显著改善,而与它们的功函数大小无关。热敏测试结果表明,SnO2纳米线属于负温度系数热敏材料,但是其热敏常数B仅为433 K,不适合作为热敏电阻。光电导测试结果表明,对于365 nm的紫外光,ZnO纳米线的响应灵敏度远远大于SnO2纳米线。这种响应灵敏度上的差别来源于两种纳米线的光电导效应产生机制的不同。场效应晶体管测试结果则提供了跨导、电子迁移率等SnO2纳米线器件的基本性能参数。纳米线器件的成功构筑为我们进一步研究纳米线在纳米传感器领域的应用打下了良好的基础。第五章:以ZnO和SnO2纳米线为例,探索了单根金属氧化物半导体纳米线构筑而成的纳米器件在湿度传感和气体传感两个领域的应用。湿敏传感测试结果表明,SnO2纳米线器件对被测环境的相对湿度存在线性的响应,空气中水分子和O2分子在半导体表面的竞争物理吸附是可能的响应机制。同时,利用两根独立的ZnO纳米线和SnO2纳米线在同一硅片基底上成功构建了一个简单的二元气敏传感器阵列,并初步探讨了此阵列传感器在混合气体检测领域中的应用。此外,我们通过在金属氧化物纳米线表面修饰金属或氧化物颗粒大大改善了纳米线气敏传感器的灵敏度和选择性。这些研究结果将推动单根金属氧化物半导体纳米线湿敏/气敏传感器向实用化方向发展。第六章:以核壳型ZnO/SnO2四角叉为例,在两种存在较大结构差异的晶体之间实现了三维外延生长,并且发现了外延界面对金属氧化物半导体发光性质的调制作用。电镜表征结果证实了合成得到的产物是以ZnO四角叉为内核,厚度为15～30 nm的SnO2外延层为外壳的核壳型复合结构,它们之间的外延关系为:（010）SnO2‖（01（?）0）ZnO和[100]SnO2‖[0001[ZnO。光致发光和阴极荧光分析结果表明在ZnO/SnO2外延界面的诱导下,四角叉的光学性质发生重大改变,在450～600nmn范围内出现了强烈的绿光发射。这项研究工作为今后类似的异质外延结构的合成以及光学性质的调制开辟了一条新的道路。第七章:以ZnO六棱柱和六棱锥为生长模板,系统考察了SnO2在ZnO晶体的三组典型晶面（{01（?）0}、{10（?）1}、{0001}）上的外延生长。通过控制合适的实验条件,SnO2在ZnO晶体表面可以形成纳米颗粒、定向生长的纳米棒/线和连续单晶薄膜三种纳米结构形态。晶体结构分析表明ZnO和SnO2之间的晶格失配在SnO2外延生长中起着重要作用:SnO2总是沿着晶格失配度最小的方向（即[2（?）0]ZnO‖[001]SnO2）优先生长,而其径向上的生长则受到失配应力的束缚。阴极荧光分析结果表明,与核壳型ZnO/SnO2四角叉的发光性质一样,复合之后的ZnO/SnO2六棱锥也表现出了不同于单一ZnO和SnO2的强烈的绿光发射,为此我们提出了外延界面缺陷调制半导体发光的机制。对ZnO/SnO2这一特殊外延体系深入而彻底的认识,有可能为其它类似的金属氧化物半导体复合纳米材料的合成和应用提供理论上的指导。第八章:以预先制备好的ZnO纳米棒阵列为牺牲模板,经过SnO2包覆和盐酸刻蚀两步合成得到了一系列SnO2空心纳米管阵列。通过选择合适尺寸的初始模板并控制合适的实验条件,我们可以得到四种类型的氧化锡纳米管阵列:纳米颗粒组成的纳米管、纳米棒组成的纳米管、纳米环组成的纳米管以及单晶薄膜组成的纳米管。SnO2与ZnO之间的外延生长在纳米管管壁的形成过程中,扮演了非常重要的角色。我们相信这些SnO2纳米管将会在高灵敏气敏传感器、光催化剂等领域有着良好的应用前景。第九章:以SnH4为气态前驱体,运用化学气相沉积法成功地实现了SnO2纳米颗粒在多壁碳纳米管（MWCNTs）表面的负载,SnO2纳米颗粒的尺寸和覆盖度可以通过精确控制SnH4前驱体的供应（气体流速、沉积时间）加以调控。因此,我们的研究为制备MWCNTs-SnO2复合纳米材料提供了一条好的合成路径。此外,以MWCNTs为牺牲模板,在较高的沉积温度（730℃）合成得到由纳米颗粒连接而成的一维链状SnO2纳米线。第十章:以四氯化碳为原料、以金属钾为还原剂,运用溶剂热的方法在相对较低的温度下（60～100℃）合成得到了厚度仅为3～8 nm的碳纳米薄膜。X射线粉末衍射和拉曼光谱表征结果表明这些膜状产物是石墨化的碳;BET测试结果表明碳纳米薄膜具有较大的比表面(97.2 m2.g-1)。此外,以六氯苯为原料、以金属钠为还原剂,运用相似的方法成功地合成得到纳米球、纳米管等各种碳空心结构。这些碳空心结构将在催化剂载体、药物传输等许多领域具有潜在的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO的基本特性
• 1.1.1 ZnO的晶体结构
• 1.1.2 ZnO的能带结构及其光电性质
• 1.2 纳米ZnO的研究进展
• 1.2.1 纳米ZnO的制备方法
• 1.2.2 纳米ZnO的形貌及其生长机理
• 1.2.3 纳米ZnO的性质和应用
• 2的基本特性'>1.3 SnO₂的基本特性
• 2的晶体结构'>1.3.1 SnO₂的晶体结构
• 2的能带结构及其光电性质'>1.3.2 SnO₂的能带结构及其光电性质
• 2的研究进展'>1.4 纳米SnO₂的研究进展
• 2的制备方法'>1.4.1 纳米SnO₂的制备方法
• 2的形貌及其生长机理'>1.4.2 纳米SnO₂的形貌及其生长机理
• 2的性质及其应用'>1.4.3 纳米SnO₂的性质及其应用
• 1.5 本论文的选题依据和研究内容
• 参考文献
• 2纳米线的制备与表征'>第二章 SnO₂纳米线的制备与表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学试剂
• 2.2.2 实验设备与操作步骤
• 2.2.3 仪器表征
• 2.3 实验结果与讨论
• 2纳米线的组成和形貌表征'>2.3.1 SnO₂纳米线的组成和形貌表征
• 2纳米线的结构表征'>2.3.2 SnO₂纳米线的结构表征
• 2纳米线的生长机理'>2.3.3 SnO₂纳米线的生长机理
• 2纳米线的光学性质'>2.3.4 SnO₂纳米线的光学性质
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 ZnO纳米结构的制备与表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 化学试剂
• 3.2.2 实验设备与操作步骤
• 3.2.3 仪器表征
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 ZnO纳米四角叉
• 3.3.2 ZnO纳米棒
• 3.3.3 ZnO纳米线
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 氧化物半导体纳米线器件的构筑和基本性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 化学试剂
• 4.2.2 实验设备与操作步骤
• 4.3 实验结果与讨论
• 2（ZnO）纳米线器件的电学性质'>4.3.1 单根SnO₂（ZnO）纳米线器件的电学性质
• 2（ZnO）纳米线器件的热敏性质'>4.3.2 单根SnO₂（ZnO）纳米线器件的热敏性质
• 2（ZnO）纳米线器件的光电导性质'>4.3.3 单根SnO₂（ZnO）纳米线器件的光电导性质
• 2（ZnO）纳米线器件的FET性质'>4.3.4 单根SnO₂（ZnO）纳米线器件的FET性质
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 氧化物半导体纳米线湿敏/气敏传感器的性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 化学试剂
• 5.2.2 实验设备与操作步骤
• 5.3 实验结果与讨论
• 2纳米线湿敏传感器的研制'>5.3.1 单根SnO₂纳米线湿敏传感器的研制
• 2纳米线器件的气敏机理'>5.3.2 单根SnO₂纳米线器件的气敏机理
• 2和ZnO纳米线气敏传感器阵列的研制'>5.3.3 SnO₂和ZnO纳米线气敏传感器阵列的研制
• 2（ZnO）纳米线传感器的影响'>5.3.4 表面修饰对SnO₂（ZnO）纳米线传感器的影响
• 5.4 小结
• 参考文献
• 2核壳型四角叉的制备与表征'>第六章 ZnO/SnO₂核壳型四角叉的制备与表征
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 化学试剂
• 6.2.2 实验设备与操作步骤
• 6.2.3 仪器表征
• 6.3 实验结果与讨论
• 2核壳型四角叉的组成、形貌与结构表征'>6.3.1 ZnO/SnO₂核壳型四角叉的组成、形貌与结构表征
• 2核壳型四角叉的生长机理'>6.3.2 ZnO/SnO₂核壳型四角叉的生长机理
• 2核壳型四角叉的光学性质'>6.3.3 ZnO/SnO₂核壳型四角叉的光学性质
• 2核壳型四角叉的合成条件影响'>6.3.4 ZnO/SnO₂核壳型四角叉的合成条件影响
• 6.4 小结
• 参考文献
• 2纳米线的外延生长'>第七章 晶格失配应力诱导下ZnO表面上SnO₂纳米线的外延生长
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 化学试剂
• 7.2.2 实验设备与操作步骤
• 7.2.3 仪器表征
• 7.3 实验结果与讨论
• 2在ZnO六棱柱表面的外延生长'>7.3.1 SnO₂在ZnO六棱柱表面的外延生长
• 2在ZnO六棱锥表面的外延生长'>7.3.2 SnO₂在ZnO六棱锥表面的外延生长
• 2在ZnO晶体不同晶面的外延生长机理'>7.3.3 SnO₂在ZnO晶体不同晶面的外延生长机理
• 2六棱锥/台的光学性质'>7.3.4 ZnO/SnO₂六棱锥/台的光学性质
• 7.4 小结
• 参考文献
• 2纳米管阵列'>第八章 牺牲模板法制备SnO₂纳米管阵列
• 8.1 前言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 化学试剂
• 8.2.2 实验设备与操作步骤
• 8.2.3 仪器表征
• 8.3 实验结果与讨论
• 2纳米管阵列的形貌控制'>8.3.1 SnO₂纳米管阵列的形貌控制
• 2纳米管阵列的合成与表征'>8.3.2 塔状SnO₂纳米管阵列的合成与表征
• 8.4 小结
• 参考文献
• 2复合材料的制备与表征'>第九章 CNTs-SnO₂复合材料的制备与表征
• 9.1 前言
• 9.2 实验部分
• 9.2.1 化学试剂
• 9.2.2 实验装置与操作步骤
• 9.2.3 仪器表征
• 9.3 实验结果与讨论
• 2复合材料的组成和形貌分析'>9.3.1 CNTs-SnO₂复合材料的组成和形貌分析
• 2纳米颗粒尺寸的控制'>9.3.2 SnO₂纳米颗粒尺寸的控制
• 2纳米颗粒在CNTS表面可控生长的机理'>9.3.3 SnO₂纳米颗粒在CNTS表面可控生长的机理
• 2纳米线的制备与表征'>9.3.4 链状SnO₂纳米线的制备与表征
• 9.4 小结
• 参考文献
• 第十章 碳纳米材料的溶剂热合成与表征
• 10.1 前言
• 10.2 实验部分
• 10.2.1 化学试剂
• 10.2.2 实验设备与操作步骤
• 10.2.3 仪器表征
• 10.3 结果与讨论
• 10.3.1 碳纳米薄片
• 10.3.2 碳纳米（空心）球
• 10.3.3 溶剂热制备碳纳米材料的生长机制以及影响因素
• 10.4 小结
• 参考文献
• 附录:博士期间取得的科研成果
• 致谢