鎢和氧化鎢準一維微-納米結構的低溫氣相合成及其生長機理研究.pdf

1、自上世紀五十年代開始，微米晶須材料，因為具有獨特的準一維結構和極其優(yōu)異的力學性能，而成為材料學界的一個經久不衰的研究熱點。目前，晶須已經發(fā)展成為各種新型復合材料的主要補強增韌材料之一，而性能優(yōu)異的晶須材料的合成和生長機理，以及顯微結構分析等相關的基礎應用研究越來越受到人們的關注。最近十多年間，直徑在100nm以下的納米晶須材料，如納米管、納米線、納米帶和納米同軸纜等，是納米科學與技術的研究和發(fā)展中最為前沿的材料。它們一方面可以作為納米科

2、技中制作微/納器件的基本構件，另一方面還作為人們探究材料在納米尺度下的一些新特性和新功能提供一個巨大的平臺。 難熔金屬W的晶須材料，具有非常優(yōu)異的物理化學和力學性能，已有近半個世紀的研究歷史。但目前人們仍然沒有找到一種能進行低成本和大批量合成W晶須的方法。氧化鎢準一維微/納米結構具有非常優(yōu)異的場電子發(fā)射性能和氣敏特性，在場電子發(fā)射器件和高性能敏感器件等方面具有廣泛的應用前景。本文主要研究了難熔金屬W及其氧化物的準一維微/納米結構

3、的氣相合成和生長機理，主要的創(chuàng)新結果包括： (1)采用一種成本低廉、過程簡單的氣相沉積方法，大批量地合成出具有各種特殊形貌的氧化鎢準一維微/納米結構，包括具有納米錐尖的微/納米針，納米線，納米帶和微米管等。合成的氧化鎢微米針具有非常獨特的幾何形貌與結構特征(錐尖直徑小于10 nm，底部直徑大于1μm，長度大于100μm，單晶結構)，有望能克服通常的準一維納米結構(如納米線和納米管)徑向機械強度較低和單操作性較差的弱點，是用作掃描

4、探針針尖，納米機械壓頭和鉆頭，以及新型的場電子發(fā)射針尖的理想材料。 (2)提出一種新的生長機制-“基于CVD過程的聚合機制”-解釋氧化鎢微米管的形成過程。這種新的機制能被用來解釋其它多種材料的微米管狀結構的形成過程，可能是一種形成微米管狀結構的普適機制(3)分別采用Ni、Fe-Ni和Co-Ni作為催化劑，通過氣相方法在相對較低的850 ℃的溫度下(相對于難熔金屬W的熔點和W晶須的高溫合成方法)，成功地合成出難熔金屬W的納米和亞微

5、米晶須。本項研究首次從實驗上，將開創(chuàng)于半個世紀以前的金屬催化合成方法成功拓展到金屬晶須的生長。這不僅為金屬W晶須的可控、大批量和低成本合成，及其物性研究打下了良好的基礎。同時，也為人們夢寐以求的金屬晶須的可控、大批量和低成本合成提供了一條新的思路。 (4)結合實驗結果和理論計算，提出“表面擴散增強的氣.固.固(VSS)”模型來解釋金屬W晶須的催化生長過程。為目前仍然存在爭議的VSS機制提供了一系列的新的實驗證據，并首次從實驗上直

6、接證明，通過VSS機制不僅能合成出直徑在50 nm以下的納米晶須；還能合成出直徑遠在100 nm以上的亞微米晶須，此外，還從理論上揭示了VSS模型中晶須生長的動力學過程所具有的某些重要特征。 (5)采用無催化劑無模板輔助的氣相傳輸方法，在相對較低的900～1000 ℃下(相對于難熔金屬W的熔點和目前的W晶須的高溫合成方法)成功地合成出金屬W亞微米晶須及其陣列。合成的W晶須具有納米尺度的錐尖(<50 nm)和高長徑比(>100)，

7、可能是一種非常理想的補強增韌劑和場電子發(fā)射材料。同時，本研究中所開發(fā)的這種簡單、低成本和大批量合成W晶須方法，不僅有望能延伸到其他金屬晶須(如Mo和Ta等)的合成，還可能進一步拓展到金屬納米晶須陣列的合成。 (6)采用無催化劑無模板輔助的氣相傳輸方法合成出單晶W微米管，并提出了一種新的生長機制一“表面擴散誘導的自模板機制”-解釋所合成的單晶W微米管的形成過程。本研究中所采用的方法和提出的生長機理可能同樣適用于其它單晶微米管狀結構