硅納米線、納米管的制備及相關(guān)物性研究.pdf

1、一維硅納米材料以其特有的光學(xué)、電學(xué)和半導(dǎo)體特性受到國際上廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已成為納米科學(xué)家研究的熱點之一，而且由于與現(xiàn)代微電子工業(yè)技術(shù)良好的相容性，硅納米線和硅納米管作為新型的低維半導(dǎo)體納米材料有望在納米微電子器件領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。由于硅元素為易于形成線狀結(jié)構(gòu)的Sp3雜化，硅納米管的制備合成比較困難，目前硅納米管的研究仍處于初期階段。本文采用化學(xué)反應(yīng)合成的方法，在簡單的化學(xué)反應(yīng)工藝下成功制備了硅納米線和硅納米管，并研究了其結(jié)構(gòu)成分、生長機理

2、及相關(guān)光學(xué)性能。
　　 本文以SiCl4作為硅源，Zn作為還原劑，在不使用任何催化劑和模板的情況下，通過SiCl4和Zn之間的簡單化學(xué)反應(yīng)，在高壓反應(yīng)釜中成功制備了硅納米管和硅納米線。采用XRD、HRTEM、FESEM、EDS等分析手段表征了產(chǎn)物中硅納米線和硅納米管的成分以及形貌特征，結(jié)果表明，產(chǎn)物大部分為結(jié)晶良好的面心立方硅結(jié)構(gòu)，也存在少量無定形結(jié)構(gòu)，大量的長度500nm到1μm，直徑30-50nm的硅納米線和納米管垂直生長于

3、微米級薄壁空心球體上，部分基體在處理過程破壞，硅納米線、管表面光滑，生長方向均一，選區(qū)電子衍射結(jié)果顯示為非晶結(jié)構(gòu)。通過氮氣吸附-脫附等溫線和DFT曲線分析，孔徑主要分布在2.4nm和5.1nm，比表面積為145.003m2/g。
　　 通過對比試驗結(jié)果重點分析了工藝過程中反應(yīng)溫度、保溫時間和反應(yīng)物之間配比對硅納米線和硅納米管形貌結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明在達到金屬熔點以上時溫度升高有利于SiCl4和Zn的反應(yīng)，但硅納米線和納米管形貌結(jié)

4、構(gòu)粗大，長度較短，不利于其生長;對反應(yīng)時間的對比分析顯示，SiCl4和Zn的反應(yīng)過程速度較快，在溫度保持1h時已基本完成，硅納米線和納米管的生長較為緩慢，通過分析表明在自然降溫階段仍在生長，而在長時間的高溫環(huán)境中，硅納米結(jié)構(gòu)存在長度和直徑明顯增大的現(xiàn)象;反應(yīng)物中SiCl4的比例對硅納米線和納米管的長度影響較大，SiCl4比例較大時長度可達1-2μm，但數(shù)量明顯減少，說明硅源少時影響了生長基體的形成和結(jié)構(gòu)，從而制約了一維硅納米結(jié)構(gòu)的生長動

5、力。綜合分析，在反應(yīng)物SiCl4與Zn配比為1∶6，反應(yīng)溫度550℃，時間為5h時產(chǎn)物的形貌結(jié)構(gòu)最佳。
　　 經(jīng)過對實驗結(jié)果分析，提出了硅納米線和納米管的生長機理，系統(tǒng)的分析了SiCl4和Zn的反應(yīng)過程和硅納米線和納米管的生長過程。氣相SiCl4在球形鋅顆粒表面發(fā)生反應(yīng)，生成的硅不斷重疊團聚最終包覆了鋅顆粒，阻礙了反應(yīng)物之間的繼續(xù)反應(yīng)，這也解釋了最終產(chǎn)物中薄壁球形基體的形成過程;待反應(yīng)完成后，由于高溫引起的熱應(yīng)力和基體上的表面張

6、力作用，硅納米粒子不斷的自組裝生長為一維硅納米結(jié)構(gòu);在生長初期時，同時存在于基體表面上的液相ZnCl2可能使一維結(jié)構(gòu)頂部出現(xiàn)凹陷，或因夾雜了部分ZnCl2可使邊緣部分生長較快，最終生長為硅納米管，這解釋了硅納米管底部粗大的特征結(jié)構(gòu)，而且這種生長模式也使得硅納米管可同時生長為開口閉口兩種形式。
　　 產(chǎn)物的PL光譜表明在388nm處出現(xiàn)的強峰是由產(chǎn)物中較多的小尺寸納米晶導(dǎo)致，認(rèn)為位于425nm處較弱的峰是納米線和納米管中無定型結(jié)構(gòu)