準(zhǔn)一維硅納米材料的制備及其場發(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、場效應(yīng)管、太陽能電池、鋰離子電池、熱電材料和場發(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)的生長依然存在許多問題和挑戰(zhàn);雖然金屬催化生長的機(jī)理已經(jīng)被廣泛的研究并理解,但很多具體的中間過程還是不清楚,例如硅的氧化過程,金屬催化劑的遷移過程和納米錐的徑向生長過程等等。明晰這些過程不僅有利于準(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,人們試圖拓展硅在微電子產(chǎn)業(yè)以外領(lǐng)域的應(yīng)用

3、,比如場發(fā)射器件。準(zhǔn)一維硅納米材料長徑比大且功函數(shù)較低,但是由于其熱導(dǎo)率差,在場發(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發(fā)射性能的材料,以有效地提高其場發(fā)射性能。我們知道,碳化硅是一種是重要的寬帶隙場發(fā)射材料,能在高溫、高頻、高功率等極端條件下工作,因此我們在硅線陣列上生長碳化硅納米線,以期降低其開啟電場同時保持其場發(fā)射電流穩(wěn)定性。基于此,本論文在硅線生長動力學(xué)以及其場發(fā)射性能等方面展開研究工作,主要工作內(nèi)容

4、分為以下幾個部分:
　　(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)襯底外延生長了有序的硅納米線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,外延生長對腔體中的氧含量非常敏感。當(dāng)系統(tǒng)中的氧含量較高時,金不僅催化硅納米線的生長也催化硅的氧化,導(dǎo)致納米線停止生長,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程;當(dāng)系統(tǒng)中的氧含量較少時,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飽和時尤為明顯。<

5、br>　　(2)我們提出了一種新方法來合成硅納米線。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,向CVD腔體中通入硅烷氣體生長硅納米線。通過研究催化劑形成過程,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。這是一種廉價有效的硅納米線制備方法。
　　(3)通過VSS機(jī)制制備硅納米錐,并詳細(xì)地研究了硅納米錐軸

6、向和徑向生長過程。為了避免由成核時間所導(dǎo)致的測量誤差,我們首次設(shè)計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硅納米錐生長動力學(xué)的影響,我們發(fā)現(xiàn)Langmuir吸附?jīng)Q定了硅尖錐軸向生長速率對總氣壓的依賴關(guān)系,而氫在硅納米錐表面的覆蓋則會大大降低其徑向生長速率。最后,通過對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)用于硅基太陽能電池。
　　(4)使用NiO為催化劑在有序的硅納米線上制