硅及硫化鎘半導(dǎo)體納米材料的制備和表征.pdf

1、納米材料由于在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，有望在半導(dǎo)體工業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)、化工、材料等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力，所以成為近幾年各國(guó)科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。本文選擇硅和硫化鎘納米材料作為研究對(duì)象，主要是因?yàn)楣枋钱?dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，而硫化鎘則在光電子產(chǎn)業(yè)中占有重要的地位。本文采用真空蒸鍍和高溫處理的方法制備Au催化劑，采用化學(xué)氣相沉積的方法制備硅納米線、空心硅納米管和竹節(jié)狀硅納米管，采用物理蒸發(fā)的方法制備了

2、CdS納米線。 本文的主要研究結(jié)果如下： 1.先前我們采用AAO模板或金溶膠的方法來(lái)制備實(shí)驗(yàn)所需的催化劑，但過(guò)程繁瑣且效果不佳，這里我們改進(jìn)了Au催化劑的制備方法。我們?cè)诠杵蠂娚弦粚?0nm厚的Au膜，經(jīng)過(guò)不同的溫度進(jìn)行熱處理。從SEM表征的結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)700℃熱處理，Au膜的分裂效果最好，都形成了Au納米顆粒，并且其粒徑分布相對(duì)其他溫度窄，所以實(shí)驗(yàn)都是采用這種方法來(lái)制備Au催化劑。 2.采用化學(xué)氣相沉

3、積的方法，以硅烷為硅源，使用上述方法制備的Au顆粒作為催化劑，在480℃下，通過(guò)調(diào)節(jié)硅烷的流量來(lái)控制不同的一維硅納米材料的形成，整個(gè)過(guò)程都遵循VLS機(jī)理?？刂品磻?yīng)器的內(nèi)壓為1atm，氫氣流量為10sccm，當(dāng)硅烷的流量為30sccm時(shí)，我們制備出大量的硅納米線；當(dāng)硅烷的流量在30～5sccm之間時(shí)，所制備的是納米線和竹節(jié)狀硅納米管的混合物，隨著流量的逐漸減少，竹節(jié)狀硅納米管的量越多；當(dāng)硅烷流量為5sccm時(shí)，我們制備出大量的竹節(jié)狀硅納米

4、管；當(dāng)硅烷流量為2sccm時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有空心硅納米管生成。對(duì)一種Y型竹節(jié)狀硅納米管的形成原因進(jìn)行了分析，初步認(rèn)為這種Y型結(jié)構(gòu)的形成，主要是由于Au催化劑相遇耦合造成的。對(duì)制備出的竹節(jié)狀硅納米管進(jìn)行了陰極熒光的初步表征，發(fā)現(xiàn)它和硅納米線的發(fā)光范圍不同，這種硅納米材料有兩個(gè)發(fā)光帶，分別在紫光區(qū)的350nm和紅光區(qū)的650nm，其紅光發(fā)光比紫光來(lái)得強(qiáng)。作為鋰離子電池的負(fù)極材料，對(duì)其循環(huán)伏安研究表明，鋰在這種硅材料中的嵌入有兩種反應(yīng)位，即

5、節(jié)部嵌入位和空心管壁嵌入位，同時(shí)這種納米硅材料其嵌鋰過(guò)程極化較小，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可以在鋰離子嵌入過(guò)程中部分朝內(nèi)膨脹，從而緩解硅在充放電過(guò)程時(shí)的體積效應(yīng)，進(jìn)而改善其循環(huán)性能。 3.采用物理蒸發(fā)CdS粉末，在650℃，以Au作為催化劑，H2為載氣，流量為100sccm，在距恒溫區(qū)15cm處收集到大量的直徑在100nm左右，長(zhǎng)度可達(dá)幾百個(gè)微米的CdS納米線。該生長(zhǎng)過(guò)程遵循VLS生長(zhǎng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)表明，在650℃下，以Ar氣作載氣或氫氣流

6、量太小，都不能得到高產(chǎn)率的CdS納米線。對(duì)CdS納米線進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌的分析，發(fā)現(xiàn)該納米線屬于六方纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，并且為單晶結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)方向?yàn)閇0001]方向。對(duì)Au催化劑和CdS納米線的界面分析表明，它們之間存在一種外延取向關(guān)系，即(0001)Cds//(111)Au和[1210]Cds//[011]Au。我們認(rèn)為這種外延取向關(guān)系有可能成為一個(gè)普適性原則，在其他的半導(dǎo)體和催化劑的界面中也存在。最后，對(duì)制備的納米線進(jìn)行陰極熒光的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)C