一维硅基纳米材料的水热制备与表征

论文摘要

由于与现有硅技术有良好的兼容性,一维硅基纳米材料有潜力成为硅纳米器件的基材,硅纳米管作为重要的硅基纳米材料之一,引起了人们极大的研究兴趣。由于硅为sp3杂化,易形成实心结构,故在实验上难以合成。因此,硅纳米管的研究在国际上都尚处于起步阶段。另外,硅纳米线、碳化硅纳米管/棒等一维硅基纳米材料由于独特的结构和优异性能,也成为了研究热点之一。本论文以一氧化硅和碳化硅为基础硅源,在自组生长硅纳米管、硅纳米线、碳化硅纳米管及碳化硅纳米棒的水热制备与表征、生长机理及光致发光PL性能等方面展开了较深入的研究,研究具有基础性和前瞻性,兼具重要的理论意义和潜在应用前景。以一氧化硅为原料,未使用金属催化剂及模板,采用水热法于470℃、6.8MPa制备出了自组生长硅纳米管。研究表明硅纳米管的生长头部为闭合结构,由内部数纳米的中空结构,中部为壁厚不大于5nm的晶体硅管壁结构以及厚度低于2nm的无定形二氧化硅外层所组成。采用5wt%的HF酸对自组生长硅纳米管的稳定性研究表明HF酸可以去除硅纳米管的氧化物外层,只剩下晶体硅纳米管,说明自组生长硅纳米管是一种稳定结构,因而使其应用成为可能。采用硅纳米管Si-H自组生长模型解释了硅纳米管的形成与生长,研究表明硅纳米管的稳定性与其生长过程密切相关。样品的Raman及IR结果进一步证明所得纳米管是一种晶体硅纳米管,外层主要为二氧化硅。PL结果表明样品在436nm处具有较强的PL性能,发射范围400-500nm,发射峰不对称,并出现了不均匀宽化。对不同水热条件一维硅纳米材料的系统研究表明470℃、6.8-8MPa是目前制备自组生长硅纳米管较合适的水热条件。470℃时,随着压力和保温时间的增加,硅纳米管的直径从小于20nm增加到了约100nm,压力增至9.5MPa以上时,所得一维硅纳米材料为实心结构。以硅及二氧化硅为硅源,所得样品只含有近圆形或不规则纳米颗粒,而以硅粉为硅源可制备出长数微米、直径约100nm的硅纳米链。水热条件下在硅片上可沉积出中间为硅核、外层包覆无定形二氧化硅的核壳结构硅纳米线,直径数百纳米、长度大于10μm。硅纳米线的Raman结果表明在519cm-1处有一Raman特征峰,并出现了不对称宽化,PL测试表明在754.1nm处有强烈的PL特征峰。采用氧化物辅助生长机理解释了沉积于硅片上硅纳米线的形成与生长,进一步研究表明470℃、9-14MPa及保温48h是目前较优的工艺参数。以硅及二氧化硅为硅源的研究表明只能在硅片上沉积出不同尺寸的球状及不规则颗粒,说明一氧化硅是水热条件下在硅片上沉积硅纳米线的较合适的硅源。以碳化硅与二氧化硅为原料,在470℃、8MPa时制备出了直径约10nm、长

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅纳米管的研究现状
• 1.2.1 硅纳米管存在的理论预测
• 1.2.2 硅纳米管的制备
• 1.3 硅纳米线的研究现状
• 1.3.1 气-液-固（VLS）生长硅纳米线
• 1.3.2 氧化物辅助生长硅纳米线
• 1.3.3 其它生长机理制备硅纳米线
• 1.4 硅纳米线/管的性能及应用
• 1.4.1 硅纳米线的性能
• 1.4.2 硅纳米线的应用
• 1.4.3 硅纳米管的性能
• 1.4.4 硅纳米管的应用前景
• 1.5 一维碳化硅纳米材料的研究现状
• 1.5.1 碳化硅纳米棒
• 1.5.2 碳化硅纳米线
• 1.5.3 碳化硅纳米管
• 1.5.4 其它一维碳化硅纳米材料
• 1.6 水热法制备IV 族一维纳米材料的研究现状
• 1.6.1 不加催化剂
• 1.6.2 添加催化剂
• 1.7 选题的目的、意义及内容
• 1.7.1 选题的目的及意义
• 1.7.2 主要研究内容
• 第2章 一维硅基纳米材料的制备工艺及表征方法
• 2.1 工艺流程
• 2.2 实验原料及设备
• 2.3 分析表征方法
• 2.3.1 显微形貌的观察与成分分析
• 2.3.2 结构分析
• 2.3.3 光致发光（PL）光谱
• 第3章 自组生长硅纳米管的水热法制备、表征与稳定性研究
• 3.1 引言
• 3.2 自组生长硅纳米管的制备工艺
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 原料比率的确定
• 3.2.3 制备温度、压力的确定
• 3.2.4 容器填充度的确定
• 3.2.5 具体实验过程
• 3.3 自组生长硅纳米管的显微结构及成分分析
• 3.3.1 自组生长硅纳米管的 SEM、TEM 及电子衍射分析
• 3.3.2 自组生长硅纳米管的 EDS 分析
• 3.3.3 自组生长硅纳米管的HRTEM 分析
• 3.4 硅纳米管生长机理的初步研究
• 3.4.1 高温高压下水的行为
• 3.4.2 水热条件下一维硅纳米材料生长热力学
• 3.4.3 热力学计算及分析
• 3.4.4 硅纳米管 Si-H 自组生长模型的理论基础
• 3.4.5 硅纳米管的自组生长机理
• 3.5 自组生长硅纳米管的稳定性研究
• 3.6 样品的Raman 及IR 光谱分析
• 3.7 样品的PL 特性分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 不同水热条件下自组生长硅纳米管及相关材料的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验参数
• 4.3 压力对自组生长硅纳米管/线形成的影响
• 4.3.1 压力对自组生长硅纳米管形成的影响
• 4.3.2 水热溶液中硅纳米线的形成、结构与成分分析
• 4.3.3 水热溶液中硅纳米线的生长机理分析
• 4.4 温度对自组生长硅纳米管形成的影响
• 4.5 保温保压时间对自组生长硅纳米管形成的影响
• 4.6 以其它硅源为原料水热制备一维硅纳米材料的研究
• 4.6.1 以硅、二氧化硅为硅源的实验结果分析
• 4.6.2 硅纳米链的结构及形成机理分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 水热条件下硅纳米线的制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 实验参数
• 5.3 硅纳米线的结构、生长机理及光学性能研究
• 5.3.1 硅纳米线的结构及成分分析
• 5.3.2 硅纳米线的生长机理研究
• 5.3.3 硅纳米线的 PL 光谱分析
• 5.4 工艺条件对硅纳米线形成的影响
• 5.4.1 压力对硅纳米线形成的影响
• 5.4.2 保温保压时间对硅纳米线形成的影响
• 5.4.3 原料对硅纳米线形成的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 碳化硅纳米管的水热法制备与表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.3 碳化硅纳米管的结构、成分及生长机理研究
• 6.3.1 碳化硅纳米管的 TEM 及电子衍射分析
• 6.3.2 碳化硅纳米管的EDS 分析
• 6.3.3 碳化硅纳米管的 HRTEM 分析
• 6.3.4 碳化硅纳米管的XRD 分析
• 6.3.5 碳化硅纳米管样品的Raman及IR光谱分析
• 6.3.6 碳化硅纳米管的生长机理分析
• 6.4 碳化硅纳米管的特殊形态及生长机理研究
• 6.4.1 碳化硅纳米管的特殊形态
• 6.4.2 特殊形态碳化硅纳米管的生长机理研究
• 6.5 碳化硅纳米管样品的 PL 光谱分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 碳化硅纳米棒的水热法制备与表征
• 7.1 引言
• 7.2 实验过程
• 7.3 碳化硅纳米棒的结构、显微形貌及成分分析
• 7.3.1 碳化硅纳米棒的SEM、TEM 及电子衍射分析
• 7.3.2 碳化硅纳米棒的EDS 分析
• 7.3.3 碳化硅纳米棒的 HRTEM 分析
• 7.3.4 碳化硅纳米棒的XRD及Raman分析
• 7.4 碳化硅纳米棒的生长机理分析
• 7.5 碳化硅纳米棒样品的 PL 光谱分析
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A（攻读博士学位期间的论文）
• 附录B（攻读博士学位期间的专利及获得奖励）
• 致谢