ZnO一维纳米结构的可控制备与物性调控研究

论文摘要

近几年来,ZnO一维纳米结构的制备和物性研究正掀起一股极大的热潮。一维纳米ZnO不仅具有通常一维纳米材料共有的优点,还拥有许多独特、迷人的性质,因而被认为是最重要的无机功能纳米材料之一。实现ZnO一维纳米结构的可控制备和物性调控,不仅可以为我们深入研究介观、量子受限、极化体系中的物理问题提供理想的对象,而且是ZnO基纳米器件走向实用化的基础和必备条件。尽管ZnO一维纳米材料的制备已取得长足的进步,但在制备调控方面依然存在许多令人无法满意之处,对物性调控的研究和理解也十分欠缺。本论文基于ZnO一维纳米材料的气相法制备,以局部调控←→全局调控、生长调控→物性调控、简单体系调控→复杂体系调控这一主线为顺序开展了一系列研究工作,具体包括以下几方面:1.ZnO纳米阵列的可控制备及表征实现对纳米阵列中单个纳米基元尖端形貌和性质有效的局域调控:可控制备出具有不同尖端形貌的ZnO单晶纳米探针阵列,其尖端曲率半径可优于2 nm,具有优异的光学特性和良好的电学特性,而且其光、电性能可通过简单退火处理实现有效调节。实现对纳米阵列有序度的全局调控:可控制备出一种具有十分优异的c轴取向一致性和面内取向一致性的ZnO纳米棒阵列,品质不亚于其单晶外延膜衬底,并优于所有已经报道的（有关ZnO纳米阵列的）结果。2.尺寸效应对ZnO纳米棒发光特性的影响以直径从几百纳米平滑地逐渐收缩到～20 nm、均匀生长的锥形ZnO纳米棒为对象,利用空间分辨阴极荧光谱系统地研究了非量子限域范围1)尺寸调制的表面效应对纳米棒发光特性的调制,以及2)尺寸对纳米棒光学带隙的调制:发现纳米棒的深能级发射主要是来源于表面复合而非体内缺陷,随着纳米棒直径不断收缩,深能级发射越来越占主导地位,而近带边发射被显著抑制,两者积分强度比超线性增加;利用改进的表面复合层近似可以很好地描述该实验结果。发现电子注入对纳米棒的光学带隙有明显的调制作用,随着纳米棒直径不断收缩,近带边发射的峰位反常地移动而且越来越显著;这一现象可以用重掺杂半导体中的Burstein-Moss效应和Band Gap Narrowing效应来解释。3.ZnO纳米阵列的场发射研究以渐变探针、突变探针和平顶纳米棒这三种具有截然不同尖端形貌的ZnO纳米阵列为对象,系统研究了一维纳米结构的尺寸、形貌（特别是尖端形貌）、组装对纳米阵列场发射性能的调制:发现突变探针具有最佳的场发射性能;进一步比较研究了不同的探针形貌对场增强作用和屏蔽效应的调制;提出多级发射探针的设计思路并阐明其优越性。4.高有序度Zn-In-O三维分层纳米结构阵列的可控制备及表征在对本征ZnO一维纳米结构生长调控与物性调控的理解和经验积累基础上,以Zn-In-O为实例研究了ZnO基多元、掺杂纳米体系的生长调控,实现了一种ZnO:In纳米带-（ZnO）m-In2O3超结构纳米柱（m=2,3,4,5）三维分层纳米结构的高有序度阵列的空间自组装,并对该体系做了详细的表征,对其物性和生长机制也做了相应探讨。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 攻读博士学位期间论文发表情况
• 目录
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 （准）一维纳米材料的机遇和挑战
• §1.3 本论文的选题背景和研究内容
• §1.3.1 选题的背景和依据
• §1.3.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 ZnO纳米阵列的可控制备及表征
• §2.1 引言
• §2.2 ZnO纳米阵列的尖端形貌和物理特性的细致调控
• §2.2.1 实验过程
• §2.2.2 纳米阵列的尖端形貌与衬底摆放方式的关系
• §2.2.3 纳米阵列的XRD结构表征
• §2.2.4 纳米探针的HRTEM结构表征
• §2.2.5 纳米阵列的PL光学表征
• §2.2.6 纳米探针的CAFM电学性质表征
• §2.2.7 纳米探针的应用:圆形真空规器件设计
• §2.3 高有序度znO纳米阵列的可控制备与表征
• §2.3.1 实验过程
• §2.3.2 纳米阵列的形貌
• §2.3.3 纳米阵列的XRD表征——有序度研究
• §2.3.4 纳米阵列的发光特性表征
• §2.3.5 纳米阵列的尺寸调控
• §2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 尺寸效应对znO纳米棒发光特性的影响
• §3.1 引言
• §3.2 实验过程
• §3.3 实验结果和讨论
• §3.3.1 样品的形貌和结构表征
• §3.3.2 单根锥形纳米棒的室温CL研究一:表面效应
• §3.3.3 单根锥形纳米棒的室温CL研究一:能隙调控
• §3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 ZnO纳米阵列的场发射研究
• §4.1引言
• §4.2 实验过程
• §4.3 纳米阵列的形貌表征
• §4.4 纳米探针阵列的场发射性能表征
• §4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 高有序度Zn-In-O三维分层纳米结构阵列的可控制备及表征
• §5.1 引言
• §5.2 实验过程
• §5.3 实验结果和讨论
• §5.3.1 纳米带-纳米柱三维分层纳米阵列的形貌
• §5.3.2 纳米带-纳米柱三维分层纳米阵列的XRD表征
• §5.3.3 纳米带-纳米柱三维分层纳米结构的HRTEM和EDS表征
• §5.3.4 单根纳米带-纳米柱三维分层纳米结构的发光特性
• §5.3.5 纳米带-纳米柱三维分层纳米阵列的生长调控及机制探讨
• §5.4 本章小结
• 参考文献
• 发表论文被引用情况
• 致谢