硼和硼化物一维纳米材料的制备与表征

论文摘要

一维纳米材料以其小的直径、大的长径比、高的各向异性、奇异的结构和奇特的性能吸引了国内外学者极大的兴趣,可能成为未来信息、能源领域的基础材料,是国际材料研究的前沿领域。目前,研究较多的一维纳米材料主要是碳、硅、ZnO、CdS等,其中纳米碳管最为引人注目。除此之外,国际上研究者正在探索新的一维纳米材料的制备技术和性能特征。 硼元素由于具有很强的成键本领,以及其单质和化合物具有复杂多变的结构,在无机化学方面占有独特的地位。从发展看,硼化学有可能与碳化学媲美,形成另一个独立的化学领域。但是,人们对硼的结构和性质了解甚少,特别是硼及其化合物的一维纳米结构。虽然部分硼的一维纳米结构（如硼纳米线、纳米管）已经被成功制备,但是对它们制备条件和生长机理的系统研究还没有进行,同时,硼及硼化物的一维纳米结构的形貌和结构的控制、阵列化制备和量产等问题,对研究者而言仍然是一个挑战。 本论文在调研和综述了目前硼和硼化物一维纳米材料的制备和性能研究主要成果的基础上,系统地研究了非晶硼纳米线、单晶硼纳米线、二硼化镁纳米线、硼酸铝和硼酸镁纳米线等硼和硼化物一维纳米材料的制备与表征,取得了一系列的创新性结果: 采用两步阳极氧化法制备的多孔氧化铝模板（NCA）做衬底,利用CVD法热解乙硼烷,制备了阵列化单晶a—四方硼纳米线,纳米线直径20-60nm,生长方向沿模板孔径,和膜面垂直。通过改变阳极氧化电压,调节模板孔径,进而实现硼纳米线的直径调节。 采用CVD法,在硅片上生长了非晶硼纳米线和纳米链,研究了温度、压强等对纳米线形貌的影响,发现了硼纳米线形貌的温度依赖性,利用杨氏方程和正反馈机理,解释了硼纳米线形貌的温度依赖性和硼纳米链的形成原因。 使用Al做催化剂,在硅片上得到了准阵列化的单晶硼纳米棒;并详细研究了温度、压强、催化剂厚度等实验条件对纳米线形貌和结构的影响。综合分析硅片上非晶硼纳米线和晶体硼纳米棒的实验,提出了硼纳米线底部和顶部VLS生长机理。结合热动力学知识,从理论上定性解释了硼一维纳米材料选择底部或顶部VLS生长机理的原因。 通过热蒸发硼粉或硼和氧化硼的混合粉末,制备了硼纳米线;并将硼纳米线和氧化锌纳米线的制备结合起来,通过两步热蒸发,得到了ZnO/B树状异质结纳米结构。这种方法设备简单、原材料无毒、产物产量大。论文还详细研究了热蒸发源温度、气体流量、收集温度等对产物形貌和结构的影响:1200℃及以上热蒸发,高温端收集得到的是六方结构硼,低温端收集得到的是四方结构硼;热蒸发温度低于1200℃时只能得到非晶硼纳米线。论文并利用高分辨透射电镜（HRTEM）和Raman光谱,研究了硼纳米线的结构、生长方向、生长机理和光

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 单质硼及其化合物的结构与性质
• 1.2.1 硼及其化合物的结构
• 1.2.2 硼及其化合物的性质
• 1.3 纳米材料的特性和应用
• 1.3.1 纳米材料的特性
• 1.3.2 一维纳米材料的应用
• 1.4 硼和硼化物一维纳米材料的制备及性能研究进展
• 1.4.1 硼纳米线的制备
• 2和其他金属硼化物及硼酸盐一维纳米材料的制备'>1.4.2 MgB₂和其他金属硼化物及硼酸盐一维纳米材料的制备
• 1.4.3 硼纳米线的性能研究
• 1.5 研究目的
• 1.6 本章小结
• 第2章 实验内容、设备及测试仪器
• 2.1 实验内容
• 2.2 测试仪器和方法
• 2.2.1 X射线衍射仪（XRD）
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.4 紫外可见吸收谱（UV-vis absorption spectroscopy）和荧光光谱（PL）仪30
• 2.2.5 拉曼光谱仪（Raman Spectroscopy）
• 2.2.6 红外光谱仪（IR）
• 2.2.7 低温物性测量系统（PPMS）
• 2.2.8 纳米线的光学性能测试
• 2.3 本章小结
• 第3章 化学气相沉积法制备硼和氧化硼纳米线
• 3.1 引言
• 3.2 多孔纳米氧化铝模板中生长阵列化单晶硼纳米线
• 3.2.1 实验
• 3.2.2 实验结果与分析
• 3.2.3 本节小结
• 3.3 硅片上金催化生长非晶硼纳米线
• 3.3.1 实验
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.3.3 本节小结
• 3.4 硅片上铝催化生长准阵列化单晶硼纳米棒
• 3.4.1 实验
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.4.3 本节小结
• 3.5 化学气相沉积法制备氧化硼纳米线
• 3.5.1 实验
• 3.5.2 实验结果与分析
• 3.5.3 本节小结
• 3.6 本章小结
• 第4章 热蒸发法制备晶体硼纳米线及ZnO／B树状异质结纳米结构
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 热蒸发法制备晶体硼纳米线
• 4.2.2 热蒸发法制备ZnO纳米线和ZnO／B树状异质结纳米结构
• 4.3 热蒸发法制备晶体硼纳米线实验结果与分析
• 4.3.1 热蒸发温度对生成物影响
• 4.3.2 收集温度对生成物的影响
• 4.3.3 硼纳米材料的Raman光谱研究
• 4.4 热蒸发法制备ZnO纳米线和ZnO／B树状异质结纳米结构的实验结果与分析
• 4.4.1 ZnO纳米线和阵列化ZnO纳米线
• 4.4.2 ZnO／B树状异质结纳米结构
• 4.5 本章小结
• 2纳米线和MgO微纳结构的制备与表征'>第5章 阵列化MgB₂纳米线和MgO微纳结构的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 2纳米线的实验结果与分析'>5.3 阵列化MgB₂纳米线的实验结果与分析
• 2纳米线的形貌和结构表征'>5.3.1 MgB₂纳米线的形貌和结构表征
• 2纳米线的超导性能'>5.3.2 MgB₂纳米线的超导性能
• 3B₂O₆纳米线的形貌和结构表征'>5.3.3 Mg₃B₂O₆纳米线的形貌和结构表征
• 5.4 MgO微纳结构的形貌、结构表征及生长机理
• 5.4.1 MgO微纳结构的形貌和结构表征
• 5.4.2 不同氧化镁微纳结构的生成机理分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 溶胶凝胶法制备硼酸铝和硼酸镁纳米线
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 硼酸铝纳米线
• 6.3.2 硼酸镁纳米棒
• 6.3.3 纳米线生长机理的研究
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢