硅纳米线的制备及其生长条件探究

Si纳米材料自问世以来便受到研究者的重视，其不同于宏观块体材料的特殊性质可使其应用于各个领域。如何制备形貌较好且具有良好光电性能的纳米材料是在纳米材料应用前必须解决的问题。以Ni膜作为催化剂直接在Si衬底上制备了密集的Si纳米线，获得了Si纳米线较强的蓝紫波段的发光，研究了退火温度、退火气氛N₂流速、Si膜厚度等制备条件对Si纳米线形貌、光致发光强度的影响，并讨论了双层膜制备Si纳米线形成和生长机理。实验结果显示，退火温度、N₂流速对Si纳米线的生长起到关键性的作用，N₂流速能够影响Si纳米线的光致发光强度，且较大的N₂流速能够使Si纳米线定向生长。而在Ni膜催化剂上预沉积一层适当厚度的Si膜也有助于Si纳米线的生长，且有效改善了Si纳米线的光致发光强度。     

SiO2纳米颗粒复合Bi2Te3纳米线阵列的制备

为结合一维纳米材料和纳米颗粒复合材料的优点,本文尝试进行了在氧化铝模板(AAO)中生长Bi2Te3-Si O2纳米颗粒复合纳米线阵列。通过在电化学溶液中添加Si O2纳米颗粒,制备包含纳米颗粒的Bi-Te纳米线阵列。应用XRD、SEM、TEM等方法对合成的样品进行了分析观察。研究发现Si O2纳米颗粒的加入对纳米线的形貌和结构都有明显的影响。在模板法沉积Bi2Te3纳米线阵列时,添加Si O2纳米颗粒将明显改变纳米线生长方式,Bi2Te3纳米线不再是等径的纳米棒,而是枝晶生长过程,最后形成Z字型的不断反复弯折纳米线,该枝晶状纳米线的直径远小于模板的孔径。这一新颖的现象为制备直径更小,并具备精细界面结构的纳米线热电材料提供了一种新的可能途径。     

直流电弧法制备硅纳米线及其电化学性能

采用直流电弧等离子体蒸发法,在氢/氩气氛中蒸发Si/Fe微米粉体混合压制的块体靶材,通过瞬态VLS生长机制合成纳米线。分析TEM结果表明,Si纳米线直径约20nm,长度约100nm,形貌均匀,端部为FeSi2催化剂颗粒,形成以催化剂颗粒为中心的无序辐射状网络结构,体现出VLS机制生长产物的基本特征。XRD结果表明,产物主相为硅,其中(111)面衍射峰最强,结合TEM图像分析可以判定Si纳米线沿(111)晶面生长。EDS能谱分析结果表明纳米粉体中Si含量为97.4%(质量分数)、Fe含量为2.6%(质量分数)。将Si纳米线作为锂离子电池负极活性材料,其电化学性能测试结果表明在150 mA/g恒电流下首次放电容量为1 704mAh/g,循环50次后容量保持有514 mAh/g。另外,Si纳米线负极还表现出较好的倍率性能,当电流从1A/g恢复到0.1A/g后,容量提高至802mAh/g,说明在高倍率的充放电之后电极依然保持原有微观结构未变坏,保持着优异的充放电性能。     

硼酸镁纳米线的制备和对环氧树脂的增强作用

本研究通过优化实验获得高长径比的Mg_2B_2O_5纳米线,研究了其对环氧树脂的增强作用。采用水热法和热处理两步法制备了Mg_2B_2O_5纳米线并通过控制Mg_2B_2O_5纳米线添加量调节环氧树脂的弯曲性能。Mg_2B_2O_5纳米线的形貌与前驱体MgBO_2(OH)形貌密切相关。水热法制备MgBO_2(OH)纳米线需要一定的浓度和较高的反应温度,延长反应时间有利于提高长径比。另外,适当的添加Mg_2B_2O_5纳米线可以明显提升环氧树脂的弯曲性能。     

生长温度对热蒸发法制备ZnO纳米线的结构与发光性能影响

采用无金属催化剂的简单热蒸发法,在Si(100)衬底上不同生长温度下成功地制备了高密度和大长径比的单晶ZnO纳米线。分别利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)及荧光光谱仪表征样品的结构和发光性质。XRD和TEM研究表明,所制备的样品为沿c轴择优取向生长的单晶ZnO纳米线,具有六方纤锌矿结构。SEM和TEM研究表明,生长温度对ZnO纳米线的形貌及长径比的影响较大。当生长温度为700℃时,制备得到长径比为300(长度约为15μm,直径约为50nm)的ZnO纳米线;低于600℃时,形成花状ZnO纳米锥或纳米棒;高于700℃时,形成小长径比的ZnO纳米棒。此外,室温光致发光(PL)谱上出现一个强而尖锐的紫外发射峰以及一个弱而宽泛的蓝光发射峰。采用的热蒸发法制备ZnO纳米线基于气-固(VS)生长机理且该生长方法可用于大规模、低成本制备高纯度的单晶ZnO纳米材料。     

生长温度对热蒸发法制备ZnO纳米线的结构与发光性能影响

采用无金属催化剂的简单热蒸发法,在Si(100)衬底上不同生长温度下成功地制备了高密度和大长径比的单晶ZnO纳米线。分别利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)、透射电子显微镜(TEM)及荧光光谱仪表征样品的结构和发光性质。XRD和TEM研究表明,所制备的样品为沿C轴择优取向生长的单晶ZnO纳米线,具有六方纤锌矿结构。SEM和TEM研究表明,生长温度对ZnO纳米线的形貌及长径比的影响较大。当生长温度为700℃时,制备得到长径比为300(长度约为15μm,直径约为50nm)的ZnO纳米线。低于600℃时,形成花状ZnO纳米锥或 纳 米 棒。高 于700℃时,形 成 小 长 径 比 的ZnO纳米棒。此外,室温光致发光(PL)谱上出现一个强而尖锐的紫外发射峰以及一个弱而宽泛的蓝光发射峰。采用的热蒸发法制备ZnO纳米线基于气-固(VS)生长机理且该生长方法可用于大规模、低成本制备高纯度的单晶ZnO纳米材料。     

一维β-SiAlON材料可控合成

以Si粉、Al粉和Al2O3粉为原料压制成条样,在1650~1850 K氮气和埋Si3N4颗粒气氛下分别合成了β-SiAlON晶须、带状和柱状晶,并系统研究了一维β-SiAlON材料可控合成条件,进而结合热力学分析了一维β-SiAlON材料的生长机制。结果表明:以Si粉、Al粉和Al2O3为原料,在氮气(纯度99.9%)和埋Si3N4颗粒气氛下在1650~1850 K保温6 h,可以合成不同形貌的一维β-SiAlON材料。生长温度是一维β-SiAlON材料形貌控制的关键因素。生长温度为1650 K时,合成了β-SiAlON晶须,晶须直径200~400 nm,长径比100~1000;生长温度在1700~1800 K时,可以合成β-SiAlON带状晶体,厚度为200 nm,宽度为1~4μm,长宽比在10~20之间;生长温度升高至1800 K时,出现大量柱状晶体。结合晶须显微结构形貌和热力学分析,β-SiAlON晶须的生长机制为气–固(VS)生长机制。     

Al_2O_3纳米线的电化学法制备及形成机理分析

通过对纯铝板电化学阳极氧化及腐蚀液处理,在一定的条件下制备出了排布有序的Al_2O_3纳米线,采用SEM、EDS、IR手段对纳米线微观形貌和组成进行了表征.实验结果表明:多孔Al_2O_3薄膜经腐蚀后形成纳米线,在铝基板上呈六角形排布,组成为纯Al_2O_3,直径随电氧化温度、槽电压的升高和腐蚀处理时间的延长减小,直径范围为16～60nm,长径比较大.在实验的基础上,提出了有序排布Al_2O_3纳米线的形成机理.     

磁性金属Fe纳米线的制备及其性能

本文尝试采用纳米Au颗粒作为催化剂,利用化学气相沉积法合成铁纳米线。并着重研究了不同沉积温度对纳米线生长过程的影响。研究结果表明,过低沉积温度无法分解二茂铁,而过高沉积温度则会导致二茂铁高温分解副反应发生,生成大量碳颗粒,从而阻碍铁纳米线的生长。作者在600℃沉积温度下,以二茂铁为反应前驱体和蓝宝石作为基板,通过纳米Au颗粒的催化作用首次成功获得了大批量的铁单晶纳米线,并进一步揭示了纳米线的气-固生长机制。此外,本文还对合成的单晶Fe纳米线的磁各向异性进行了探讨。     

LiCoO2薄膜形貌和性能的研究

采用脉冲激光沉积法制备了钴酸锂薄膜,系统地研究了镀金工艺、衬底材料和氧分压对钴酸锂薄膜形貌和性能的影响。结果表明采用直流磁控溅射技术镀金容易导致其上面钴酸锂薄膜开裂;衬底材料不仅影响着薄膜中颗粒大小还影响颗粒形貌,在Si衬底上制备的钴酸锂薄膜颗粒最小,平均粒径为50nm,且颗粒为球型。随着氧分压的提高,钴酸锂薄膜电极的首次放电比容量依次升高。当氧分压为10Pa时,薄膜电极的首次放电容量达到27．9uAh／cm^2·um。     

一种链珠状SiO2纳米线的制备及分析

实验通过硅粉和氯化钙盐高温处理, 以熔融CaCl₂高温下产生的蒸气作为特殊的蒸发载体, 在1300℃条件下通过热蒸发法在石墨基板表面获得了具有草坪状排列的特殊形状的纳米线。系列测试分析表明, 该纳米线的直径为50~400 nm, 长度约为几个微米, 且为面心立方结构。另外, 系统分析显示传统的纳米线生长模型如气-液-固(VLS)生长机制不能很好地解释该二氧化硅纳米线在石墨纸上的生长过程, 本文提出的一种增强的气-液-固生长机制, 可以很好地解释上述纳米线的生长过程。     

热蒸发法制备第Ⅳ族半导体纳米线的研究进展

系统地分析了压强和温度在热蒸发法生长中对Si纳米线的产量和形貌结构的影响,并全面解析了用热蒸发法制备Ⅳ族纳米线的氧化物辅助生长机理。同时,对国内外采用热蒸发法制备第Ⅳ族半导体(Si、Ge、SiGe)纳米线的研究现状进行了详细介绍,并展望了其应用前景。     

Ge纳米点/Si纳米线复合结构制备及微结构特征分析

结合金属纳米颗粒辅助化学刻蚀法制备Si纳米线和低压化学气相外延自组织生长Ge纳米点制备了Ge纳米点/Si纳米线复合结构,采用电子显微镜、微区原子力/拉曼联合测试系统进行了微结构表征。Ge纳米点基本均匀地分布于Si纳米线上,通过改变生长参数可有效控制Ge纳米点的尺寸和密度。在非常扁薄的无支撑的纳米点/线复合结构中,由于应力和热效应的作用使Si和Ge的拉曼散射特征峰发生了较大的红移。     

TiO2纳米线阵列生长机理的研究

采用两步氧化法制备了多孔氧化铝模板(AAO),并利用AAO结合用电化学诱导溶胶-凝胶法制备了锐钛矿型的TiO2纳米线阵列,探讨了形成TiO2纳米线阵列的生长机理.发现TiO2纳米线是由Au基底沿着孔洞逐步向上生长,直接生成纳米线,因而可以通过控制氧化铝模板的尺寸和电化学沉积的时间来控制纳米线的长径比.     

高密度、直立金属纳米线有序阵列的制备

本文提供了一种简单、可控的制备直立纳米线阵列的方法。采用循环伏安法在多孔阳极氧化铝模板中电沉积了Ag、Cu、Au金属纳米线阵列。SEM图片证明模板孔洞的填充率非常高。XRD分析结果表明,纳米线阵列都具有面心立方结构。采用循环伏安法可以方便地调节电沉积时间,进而有效地调控金属纳米线的长径比。去除模板后发现,当纳米线的长径比较大时,纳米线易于倒塌,聚集在一起。当纳米线的长径比在一定范围时,易于获得高密度、直立在导电衬底上的纳米线阵列。     

微波加热合成SiC纳米线的研究

采用单质Si粉和酚醛树脂为原料、均混、成型、碳化, 并以10℃/min的升温速率在1300～1400℃/0.5～2h的微波加热条件下制备了SiC纳米线. 用SEM和TEM观察所得SiC纳米线形貌, EDX检测样品成分. 结果发现: 所制备的SiC纳米线具有典型的SiC/SiO₂芯－壳式缆状结构特征, 直径约为20～100nm. 分析认为, 在微波加热条件下, 液态Si在SiC纳米线生长过程中起着至关重要的作用, 既具有催化作用, 同时又是制备SiC纳米线的关键原料.     

用VLS机制制备硅纳米线的生长阶段研究

在镀Ni的Si衬底上用硅烷高温分解的方法由VLS机制制备了硅纳米线，在不同的实验条件下研究了VLS机制生长的三个阶段：结晶阶段、共熔阶段和生长阶段，特殊条件下制备的处于结晶阶段的长度仅几十纳米的硅纳米线显示硅纳米线是从催化剂颗粒中长出来的，观察到的硅纳米线的生长过程说明VLS机制在纳米尺度仍然有效，可用于各种材料纳米线的制备。     

纳米线阵列的电化学优化光吸收增强研究

通过在自生长的半导体Cu2S纳米线阵列表面进一步应用电化学表面沉积处理,在纳米线表面形成尺寸更小的Cu2S纳米颗粒结构,实现了在不减小纳米线直径或增加纳米线长度的情况下,有效提高了纳米线阵列光吸收性能。利用I-V循环扫描曲线研究了以Cu2S纳米线阵列为工作电极的Cu2S沉积电位,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见-近红外分光光度计,对纳米阵列的相结构、微观表面形貌、晶体结构及光吸收能力进行了表征和分析。研究表明:沉积于单斜晶系Cu2S纳米线阵列上的纳米颗粒为斜方晶系Cu2S,沉积后纳米线表面结构改变,粗糙度明显增加,起到了减少纳米线的光反射、优化原纳米线阵列光吸收综合能力的作用。     

醇热法可控制备大长径比银纳米线的研究

使用多元醇热还原法制备出了具有大长径比的银纳米线,研究了银纳米线的生长过程并分析了其生长机制。实验选择不同的还原剂种类、不同分子量的PVP及成核控制剂进行了研究。优化了AgNO3的浓度、反应温度和时间等工艺参数,得到了乙二醇体系下制备出银纳米线的最佳实验方案,其优化工艺参数为2mmol/L硫化钠乙二醇溶液、0.19~0.25g PVP、50mmol/L硝酸银乙二醇溶液。对所得银纳米线的形貌和结构进行了系统的表征。结果表明,产物为面心立方结构的纯银纳米线,产物结晶度好、尺寸形貌均匀、长度为100~200μm、直径为60~100nm。按此方案进行放大制备,得到的银纳米线仍然保持良好的形貌尺寸,且产量高、工艺稳定,具有量产的可能。     

Au纳米粒子修饰Si纳米线

报道了在正己硫醇作表面活性剂下,还原HAuCl_4为Au纳米粒子沉积到Si纳米线表面,并利用吸收光谱研究了Au粒子修饰Si纳米线前后的光学性质。通过SiO粉末氧化物辅助生长技术合成了Si纳米线,测量了Si纳米线的吸收光谱,结果表明,与覆盖有SiO_2层的Si纳米线相比,HF处理后的Si纳米线的吸收峰略微“蓝移“。Au纳米粒子沉积到Si纳米线上以后,出现了两个新的吸收峰,波长分别为460和550nm。550nm的吸收峰表明Au纳米粒子的存在,460nm的吸收峰可能是由于Au粒子与Si线之间的界面作用导致的。