準(zhǔn)一維硅納米材料的制備及其場(chǎng)發(fā)射特性.pdf

1、準(zhǔn)一維硅納米結(jié)構(gòu)包括硅納米線和納米錐等。由于其奇特的物理和化學(xué)性質(zhì)并且將可能在光致發(fā)光、生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、熱電材料和場(chǎng)發(fā)射器件等諸多方面有潛在的應(yīng)用前景,因此準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)越來(lái)越被人們所關(guān)注。為了滿足硅納米結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用等方面的需求,人們相繼發(fā)展了多種方法來(lái)合成高質(zhì)量的硅納米線和納米錐,例如氣液固法(VLS),氧化物輔助法(OAG)和金屬輔助化學(xué)腐蝕法(MaCE)等。盡管目前人們已經(jīng)在硅納米結(jié)構(gòu)的生

2、長(zhǎng)方向、形貌和位置的控制等方面取得了巨大進(jìn)展,但是準(zhǔn)一維硅納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)依然存在許多問(wèn)題和挑戰(zhàn);雖然金屬催化生長(zhǎng)的機(jī)理已經(jīng)被廣泛的研究并理解,但很多具體的中間過(guò)程還是不清楚,例如硅的氧化過(guò)程,金屬催化劑的遷移過(guò)程和納米錐的徑向生長(zhǎng)過(guò)程等等。明晰這些過(guò)程不僅有利于準(zhǔn)一維硅納米材料的形貌控制,更有利于其雜質(zhì)和缺陷等的控制,因?yàn)楣柚械碾s質(zhì)和缺陷對(duì)其物理性能有著非常重要的影響。由于硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)非常成熟,人們?cè)噲D拓展硅在微電子產(chǎn)業(yè)以外領(lǐng)域的應(yīng)用

3、,比如場(chǎng)發(fā)射器件。準(zhǔn)一維硅納米材料長(zhǎng)徑比大且功函數(shù)較低,但是由于其熱導(dǎo)率差,在場(chǎng)發(fā)射器件應(yīng)用上受到限制。因此人們通常在硅納米結(jié)構(gòu)上覆蓋其它具有良好場(chǎng)發(fā)射性能的材料,以有效地提高其場(chǎng)發(fā)射性能。我們知道,碳化硅是一種是重要的寬帶隙場(chǎng)發(fā)射材料,能在高溫、高頻、高功率等極端條件下工作,因此我們?cè)诠杈€陣列上生長(zhǎng)碳化硅納米線,以期降低其開(kāi)啟電場(chǎng)同時(shí)保持其場(chǎng)發(fā)射電流穩(wěn)定性?；诖?本論文在硅線生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及其場(chǎng)發(fā)射性能等方面展開(kāi)研究工作,主要工作內(nèi)容

4、分為以下幾個(gè)部分:
　　(1)以金為催化劑,采用化學(xué)氣相沉積法成功地在Si(111)和(100)襯底外延生長(zhǎng)了有序的硅納米線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,外延生長(zhǎng)對(duì)腔體中的氧含量非常敏感。當(dāng)系統(tǒng)中的氧含量較高時(shí),金不僅催化硅納米線的生長(zhǎng)也催化硅的氧化,導(dǎo)致納米線停止生長(zhǎng),納米線的低溫?zé)嵫趸瘜?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了金催化硅氧化的過(guò)程;當(dāng)系統(tǒng)中的氧含量較少時(shí),金原子在硅線表面遷移,導(dǎo)致其電學(xué)性能變差,該現(xiàn)象在納米線的直徑較大或者金在共熔液滴中過(guò)飽和時(shí)尤為明顯。<

5、br>　　(2)我們提出了一種新方法來(lái)合成硅納米線。首先將草酸銅直接分散在氧化鋁模板襯底上,然后在系統(tǒng)溫度達(dá)到590℃時(shí),向CVD腔體中通入硅烷氣體生長(zhǎng)硅納米線。通過(guò)研究催化劑形成過(guò)程,我們發(fā)現(xiàn),首先草酸銅自組織地?zé)岱纸鉃镃u和Cu2O納米顆粒,然后與硅烷反應(yīng)形成Cu3Si,進(jìn)而成為硅納米線的成核中心。納米線平均直徑大約為20nm。這是一種廉價(jià)有效的硅納米線制備方法。
　　(3)通過(guò)VSS機(jī)制制備硅納米錐,并詳細(xì)地研究了硅納米錐軸

6、向和徑向生長(zhǎng)過(guò)程。為了避免由成核時(shí)間所導(dǎo)致的測(cè)量誤差,我們首次設(shè)計(jì)并制備了多段硅納米錐。然后建立模型解釋了總氣壓和氫氣含量等因素對(duì)硅納米錐生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響,我們發(fā)現(xiàn)Langmuir吸附?jīng)Q定了硅尖錐軸向生長(zhǎng)速率對(duì)總氣壓的依賴關(guān)系,而氫在硅納米錐表面的覆蓋則會(huì)大大降低其徑向生長(zhǎng)速率。最后,通過(guò)對(duì)總氣壓和氫氣含量的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)硅納米錐錐角的有效控制。這些研究結(jié)果可能應(yīng)用于硅基太陽(yáng)能電池。
　　(4)使用NiO為催化劑在有序的硅納米線上制