硅及硅化物納米結構的制備與性能研究.pdf

1、一維納米材料由于具有大的長徑比、高的各向異性、特殊的結構以及易于組合成器件等特點，引起了國內外研究者的極大興趣。對一維納米材料形貌的控制、生長機理的探索以及各種性能的測量與改進，是人們研究的重點。眾所周知，硅是最重要的半導體材料，它和其化合物在微電子工業(yè)中有廣泛的應用。隨著光通訊的發(fā)展，它們在光通訊領域的應用也引起了人們的廣泛關注。盡管人們對它們的一維納米結構進行了很多研究，但是其生長機理、形貌與性能的關系以及在不同領域的應用研究還需要

2、進一步探索。 本論文首先綜述了目前硅及硅化物一維納米材料的制備和性能研究的主要進展，在此基礎上，利用熱蒸發(fā)法和化學氣相沉積法(CVD)技術，制備了單晶硅納米線、花狀硅納米結構、枝狀二氧化硅納米結構、硅上多孔結構、硅化鎳納米線，硅化鐵納米線和二氧化硅納米管等多種硅及硅化物一維納米材料，并研究了這些納米結構的光學、電學和磁學性能，取得了如下主要的創(chuàng)新結果。 (1)利用不同技術，制備了多種形態(tài)的一維納米硅結構，并發(fā)現(xiàn)其獨特的性

3、能。實驗采用CVD法，分別在硅片表面和多孔氧化鋁模板中生長了直徑基本可控的硅納米線，并測試了其光致發(fā)光和光波導性能。研究結果表明：用CVD法制備的硅納米線表面光滑，直徑均勻，具有很好的光波導性能。用熱蒸發(fā)法制備的納米硅線具有明顯的光致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光峰在450am，實驗顯示其發(fā)光中心來自納米硅線表面的氧化層。另外，利用熱蒸發(fā)法在鍍金硅片表面生長了花狀硅納米結構，顯示了明顯光熱增強效應。 (2)采用熱蒸發(fā)法以鎂為催化劑生長了二氧化硅

4、枝狀納米結構。鎂在生長過程中起兩種作用：1、鎂與一氧化硅反應加快了一氧化硅的揮發(fā)；2、鎂刻蝕生成的二氧化硅納米線，形成反應活性位置，促使枝狀結構的生成。利用室溫光致發(fā)光譜(PL)和PL壽命譜研究了這種納米結構的PL性能，發(fā)現(xiàn)這種納米結構存在三個發(fā)光峰：峰位分別為380nm、414nm和434nm。這些發(fā)光峰與氧缺陷有關，枝狀結構能增強380和434nm發(fā)光峰。 (3)利用熱蒸發(fā)法在硅片表面形成了均勻的孔狀結構，孔的直徑為100-

5、500nm，研究表明這些孔是由錫顆粒腐蝕硅表面形成的。這種方法制備過程簡單且無污染。多孔結構由二氧化硅組成，室溫PL譜表明在402nm處存在發(fā)光峰，這個發(fā)光峰與氧缺陷有關。根據(jù)孔的形成機理，我們利用快速熱處理法在硅片表面形成了直徑為20-120nm的孔。通過控制硅片表面錫膜的厚度和熱處理的時間，可以控制孔的直徑。這種方法形成的孔直徑更均勻，能耗更小。 (4)利用CVD法在鎳片、泡沫鎳、鎳網和鍍鎳硅片表面制備了直徑均勻的硅化鎳納米

6、線。硅化鎳納米線由底部粗納米線和頂部細納米線兩部分組成。降低生長溫度、減小反應氣體中硅烷濃度以及延長反應時間有利于細納米線的生成。采用合適的生長參數(shù)可以得到陣列化生長的硅化鎳納米線，這種納米線陣列具有很好的場發(fā)射性能，其場增強因子達到4280。在泡沫鎳上生長的硅化鎳納米線，由于其具有高的比表面積，良好的導電性，可以很好的降低由于充放電弓I起的材料結構的破壞，因此具有良好的鋰離子電池性能。20次循環(huán)后，600℃生長的樣品的容量為0.233