氧化镍—硅复合纳米线阵列的制备与性能研究

论文摘要

硅基纳米复合体系不仅拥有硅纳米材料的诸多特性,同时还综合了复合体系中各组分材料的相关性质,因而具有更为卓越的综合性能。硅基纳米复合材料的种类繁多,目前科学工作者对它们中的某些特定体系的性能也有了较为深入的研究。在硅基纳米复合体系中,硅纳米线有序阵列与金属氧化物的复合体系虽然已经开始研究,但是报道并不多见。氧化镍是一种p型半导体材料,其化学性能稳定,物理性能优良,环境友好度高,价格低廉且易于产业化,在超级电容器及气敏性器件等方面拥有广阔的应用前景。本文选择了氧化镍材料与硅纳米线有序阵列进行复合,制备出了氧化镍-硅复合纳米线阵列,并研究了该复合结构在超级电容器和气敏性元件方面的性能,具体研究内容如下:1.以四种不同型号的n型硅片为原材料,通过银离子催化腐蚀法制备了硅纳米线阵列结构。以制备的硅纳米线阵列结构为模板,化学镀覆镍层,然后在空气中,350 oC与450 oC条件下退火1 h,获得了氧化镍-硅复合纳米线阵列。对样品进行相关表征,结果表明:（1）硅纳米线阵列的生长方向与硅片的晶向相同,硅纳米线的直径与硅片的电阻率相关,且电阻率越大,硅纳米线的直径越大。（2）以n （100）,电阻率为110Ω·cm型号硅片制备出的氧化镍-硅复合纳米线阵列取向性最优。该结构中,硅纳米线垂直于硅基底,纳米线长度为45μm,直径在30300 nm之间;（3）氧化镍-硅复合纳米线阵列结构中,氧化镍颗粒的平均晶粒尺寸与退火温度有关,当退火温度350℃时,晶粒尺寸约为13 nm,450℃时为16 nm。2.将不同温度下退火得到的氧化镍-硅复合纳米线阵列制备成电极进行电化学性能测试,包括循环伏安曲线测试,恒电流充放电测试,交流阻抗测试。测试结果表明:氧化镍-硅复合纳米线阵列具有良好的循环性能,较高的比电容和较低的内阻。在放电电流为2.5 mA时,最大比电容可达到787.5 F·g-1,经过500次充放电循环后,其电容量损失仅为4.0 %;其等效内阻为3.1Ω。该复合结构材料将会在电化学电容材料方面有广阔的应用前景。3.将不同温度下退火得到的氧化镍-硅复合纳米线阵列制备成气敏性测试电极,对其NO/2气敏性性能进行测试。测试结果表明:氧化镍-硅复合纳米线阵列比常规方法制备的氧化镍纳米颗粒气敏电极性能更加优越,温度在100200℃之间样品灵敏度达到最大值,最佳工作温度为125℃;当NO气体浓度较低（<100 ppm）时,样品气敏性随气体浓度变化较大;且经350℃热处理的样品优于450℃热处理样品性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料的特性
• 1.3 氧化镍纳米材料的性质
• 1.3.1 超级电容器性能
• 1.3.2 气敏性性能
• 1.3.3 其他性能
• 1.4 硅纳米线的制备方法
• 1.5 硅基纳米复合结构
• 1.5.1 纳米阵列结构复合体系
• 1.5.2 硅基纳米阵列复合体系材料
• 1.6 本论文研究的选题意义及主要内容
• 1.6.1 本论文的选题意义
• 1.6.2 本论文研究的主要内容
• 第2章 氧化镍-硅复合纳米线阵列的制备
• 2.1 引言
• 2.2 氧化镍-硅复合纳米线阵列结构的制备及机理
• 2.2.1 硅纳米线阵列的制备
• 2.2.2 银催化化学腐蚀法制备硅纳米线阵列的机理
• 2.2.3 氧化镍-硅复合纳米线阵列的制备
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 硅纳米线阵列分析
• 2.3.2 氧化镍-硅复合纳米线阵列分析
• 2.4 小结
• 第3章 氧化镍-硅复合纳米线阵列的电化学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 电极的制备与测试
• 3.3 结果与分析
• 3.4 小结
• 第4章 氧化镍-硅复合纳米线阵列的气敏性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 电极的制备、测试与机理
• 4.2.1 氧化镍-硅复合纳米线阵列气敏性电极的制备与测试
• 4.2.2 氧化镍-硅复合纳米线阵列气敏性电极的气敏感应机理
• 4.3 结果与分析
• 2气敏性的影响'>4.3.1 温度对氧化镍-硅复合纳米线阵列的N0₂气敏性的影响
• 2气体浓度对氧化镍-硅复合纳米线阵列气敏性的影响'>4.3.2 NO₂气体浓度对氧化镍-硅复合纳米线阵列气敏性的影响
• 4.3.3 氧化镍-硅复合纳米线阵列响应时间分析
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文