一維輕元素(硼-碳-氮)納米材料的制備和物性研究.pdf

1、輕元素納米材料擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能使其在納米電子學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。論文重點(diǎn)研究了四種新型一維(one-dimensional,1D)輕元素納米材料的控制合成與物性:平行排列超長單壁碳納米管(single-walled carbon nanotube,SWCNT)陣列的控制合成以及其在壓力傳感方面的應(yīng)用、純半導(dǎo)體性的平行排列超長單壁硼碳氮納米管(或稱為硼氮共摻雜SWCNT,boron and nitrogen co-doped

2、 SWCNT,BxCyNz-SWNT)陣列的控制合成與物性、氮摻雜SWCNTs(nitrogen doped SWCNTs,N-doped SWCNTs)的控制合成與物性、以及六方氮化硼納米帶(hexagonal boron nitride nanoribbons,BNNRs)的大規(guī)?？刂坪铣膳c物性。
　　首先,我們通過在化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)生長過程中放入小直徑石英內(nèi)套管控制氣

3、流的方法,同時(shí)調(diào)節(jié)催化劑納米顆粒直徑和密度,在SiO2/Si襯底和狹縫基片表面制備出了直徑密度可控的平行排列超長SWCNT陣列。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)、原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)和拉曼光譜(Raman spectrum)的表征發(fā)現(xiàn),所合成的

4、超長碳納米管陣列具有很好的平行取向排列;陣列中納米管的長度達(dá)到了厘米量級,實(shí)現(xiàn)了超長生長;并且這些納米管均是單壁的,具有完美的結(jié)構(gòu),SWCNTs的直徑和陣列的密度可通過控制催化劑的直徑和密度來調(diào)控。通過對生長過程的研究,我們提出了平行排列超長SWCNT陣列生長的“對流模型”生長機(jī)理。
　　然后,基于“對流模型”生長機(jī)理,我們發(fā)明了一種使用乙醇作為碳源,自組裝金屬納米顆粒催化劑陣列小條作為催化劑在任意耐高溫襯底上生長平行排列超長SW

5、CNT陣列的氣流導(dǎo)向CVD生長方法,成功地在透明柔性的氟基云母(fluorphlogopite mica,F-mica)襯底上直接生長了密度管徑可控的平行排列超長SWCNT陣列,并且生長好的樣品很好地保持著F-mica襯底原有的透明柔性。在此基礎(chǔ)之上,我們采用簡單的制備方法實(shí)現(xiàn)了一種易制作集成的高靈敏性宏觀尺度阻變壓力傳感器器件。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),超長SWCNT管陣列阻變壓力傳感器的品質(zhì)因子高達(dá)27,具有高應(yīng)變靈敏度、高工作電流以及可重復(fù)性

6、好等特點(diǎn)。通過對其工作機(jī)理的研究,我們提出了超長SWCNT陣列阻變壓力傳感器的“并聯(lián)電阻模型”工作機(jī)理,認(rèn)為超長SWCNT陣列的壓力傳感特性主要來自于納米管陣列中的準(zhǔn)金屬性SWCNTs。除了在壓力傳感方面的應(yīng)用之外,生長在透明柔性F-mica襯底上的超長SWCNT陣列還有希望在透明柔性電子學(xué)納米器件的大規(guī)模制備生產(chǎn)應(yīng)用中大展宏圖。
　　隨后,我們發(fā)明了一種使用簡單的氣流導(dǎo)向CVD生長平行排列超長BxCyNz-SWNT陣列的方法,成

7、功地在SiO2/Si襯底上生長了密度管徑可控的平行取向排列的純半導(dǎo)體性超長BxCyNz-SWNT陣列,并在此基礎(chǔ)上制備了背柵場效應(yīng)晶體管器件,發(fā)現(xiàn)其具有高開關(guān)比(超過105),大工作電流,并且能夠完全截止,具有p-型半導(dǎo)體性電輸運(yùn)性質(zhì)。器件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,我們所合成的超長BxCyNz-SWNT陣列是純p-型半導(dǎo)體。通過拉曼光譜的研究發(fā)現(xiàn),硼氮摻雜使得SWCNTs的電聲子能量重整化,導(dǎo)致其拉曼G模和2D模聲子頻率發(fā)生藍(lán)移,并判斷出其是一種

8、p-型摻雜,注入了空穴載流子。本文利用第一性原理密度泛函理論計(jì)算了BxCyNz-SWNTs的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度,以及實(shí)空間電荷密度和差分電荷密度分布,發(fā)現(xiàn)硼氮摻雜通過安德森局域化局域了碳原子的非局域化電子,在SWCNTs中引入了空穴摻雜,并通過由安德森局域化導(dǎo)致的安德森金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變使金屬性SWCNTs打開了能隙轉(zhuǎn)變成了半導(dǎo)體性BxCyNz-SWNTs。這種用簡單CVD方法大規(guī)模合成的高性能純半導(dǎo)體性平行排列超長BxCyNz-SWN

9、T陣列方便制備容易大規(guī)模集成的FET器件,使得納米管電子學(xué)的發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步。
　　然后,我們發(fā)展了一種簡單的,使用甲烷和氨氣分別作為碳源和氮源,氧化鎂載體支撐鐵鉬合金納米顆粒催化劑粉末(magnesium oxide supported iron-molybdenum alloy nanoparticle catalyst powder,Fe-Mo/MgO)作為催化劑,生長氮摻雜SWCNTs的CVD方法,成功合成了一系列具有

10、不同氮含量的氮摻雜SWCNTs樣品。隨后通過拉曼光譜的研究發(fā)現(xiàn),氮摻雜使得SWCNTs的電聲子能量重整化,導(dǎo)致其拉曼G模聲子頻率發(fā)生藍(lán)移而拉曼2D模聲子頻率發(fā)生紅移,并判斷出其是一種n-型摻雜,注入了電子。本文利用第一性原理密度泛函理論計(jì)算了氮摻雜SWCNTs的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度,以及實(shí)空間電荷密度和差分電荷密度分布,發(fā)現(xiàn)摻雜氮原子的部分非局域化電子擴(kuò)散到了碳原子上,在SWCNTs中引入了電子摻雜,并且造成了碳原子周圍電子分布的極化,

11、形成了電偶極矩;同時(shí)使得半導(dǎo)體性SWCNTs的能隙被雜質(zhì)能帶覆蓋轉(zhuǎn)變成了金屬性氮摻雜SWCNTs。
　　最后,我們發(fā)明了一種簡單的,使用易獲得的六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)粉末作為原料,負(fù)載在原料上的金屬納米顆粒作為催化劑,大規(guī)模制備邊界狀態(tài)、寬度長度可控的的BNNRs的方法,首次成功地大規(guī)模制備了邊界狀態(tài)、寬度長度可控的BNNRs樣品,納米帶的邊界十分整齊干凈。同時(shí)通過磁性測試發(fā)現(xiàn)我們所