氮化铝纳米线的合成与生长机理研究

论文摘要

氮化铝（AlN）作为一种重要的Ⅲ族氮化物,是一种直接带隙半导体材料,其禁带宽度为6.2eV,在蓝、绿光和紫外光高频段的光电子器件领域有着极大的应用潜力,受到了人们极大的关注。其极高的热导率（320W·m-1·K-1）大约是Al203的10倍,非常适合于作为大功率器件、集成电路的散热材料；其低的热膨胀系数（4.3×10-6℃）,可以很好的与硅匹配,可以广泛应用于半导体器件的衬底材料；其高的机械强度、很高的熔点,可以作为复合材料的添加剂和增强剂；其极高的电阻率,可以作为高温和大功率电子器件的封装材料。一维AlN纳米材料与AlN纳米颗粒相比,具有很大的纵横比、更完美的晶体结构和独特的纳米效应,使其在复合材料和纳米器件中可以获得广泛应用。目前一维AlN纳米材料的制备方法有很多,但是这些方法有的需要昂贵的设备,有的制备条件苛刻（如高温）,成本很高,这限制了它的研究和应用。因此,简单、低成本和高质量的制备方法仍是研究的焦点。本文以无水氯化铝（AICl3）和叠氮化纳（NaN3）为原料,采用复分解反应法在耐高压反应釜中的硅（Si）衬底上生长出了AlN纳米线。加热温度为450℃,反应时间为24小时。高分辨透射电子显微（HRTEM）测试结果显示,分散开的AlN纳米线呈现长直型外貌,表面光滑,无分枝,粗细均匀,直径在70纳米左右,长度达到微米量级。未分散开的纳米线排列有序,生长方向一致,并且与衬底几乎垂直。选择区域电子衍射（SAED）和X射线衍射（XRD）测试结果显示AlN纳米线为单晶,具有六方对称性的纤锌矿型结构,且生长方向为[0001]方向。对此合成方法的化学反应过程进行了分析,确认了AlN纳米线的生长机理为气相生长机理。利用晶体生长理论对AlN纳米线的生长机理进行了定性分析,AlN纳米线生长的前期为气液固生长机理,后期为螺旋位错生长机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的发展历史
• 1.1.2 纳米材料的基本效应
• 1.1.3 纳米材料的制备方法
• 1.1.4 纳米材料的测试和表征
• 1.1.5 一维纳米材料的研究意义
• 1.2 AlN材料概述
• 1.2.1 AlN的研究历史
• 1.2.2 AlN的性能
• 1.2.3 AlN的应用前景
• 1.3 本论文的研究意义和主要工作
• 2 一维AlN纳米材料制备方法的进展
• 2.1 直接氮化法
• 2.2 催化剂辅助生长法
• 2.3 弧光放电法
• 2.4 气相沉积法
• 2.4.1 物理气相沉积法
• 2.4.2 化学气相沉积法
• 2.4.3 金属有机物化学气相沉积法
• 2.5 模板法
• 2.5.1 碳纳米管限域反应法
• 2.5.2 氧化铝模板制备法
• 2.6 一维AlN纳米材料制备方法总结
• 3 复分解反应法制备AlN纳米线
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 实验化学原理
• 3.1.4 实验流程
• 3.2 反应条件对合成纳米线的影响
• 3.2.1 加热温度的影响
• 3.2.2 保温时间的影响
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 X射线衍射分析
• 3.3.2 透射电子显微分析
• 3.3.3 选区电子衍射分析
• 3.3.4 紫外吸收谱分析
• 3.3.5 光致发光谱分析
• 4 AlN纳米线生长机理的研究
• 4.1 纳米线的生长机理概述
• 4.1.1 完美晶体表面的成核作用
• 4.1.2 螺旋位错成核作用
• 4.1.3 纳米线的生长条件
• 4.1.4 纳米线的气相生长机理
• 4.2 复分解反应法合成AlN纳米线的生长机理
• 4.2.1 晶核形成过程
• 4.2.2 纳米线的生长过程
• 4.2.3 纳米线生长方向的理论分析
• 5 结论
• 5.1 本文总结
• 5.2 进一步的工作设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录