硅纳米孔柱阵列及其金/铜复合体系的制备、结构与场发射特性

论文摘要

近年来，以纳米硅为模板制备纳米材料得到了广泛的研究。以纳米硅为模板组装纳米材料的优势在于：一方面，这种技术可以与硅平面工艺结合，为硅基光电子集成服务，另一方面，利用纳米硅材料表面的形貌和结构特征以及其物理、化学特性，在其上复合其它的纳米材料以期制备出一些性能优良的新材料。因此，纳米硅膜板的表面形貌和结构是制备纳米材料的关键。本文制备了一种新型的纳米硅模板，并以此为模板制备了各种纳米贵金属膜。本文的研究内容如下： 1．采用水热技术制备了硅纳米孔柱阵列（Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA）。Si-NPA是一种新型的硅微米／纳米结构复合体系。它的结构复合性表现为它在微米和纳米两个尺度上形成了三个分明的结构层次，即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒。 2．利用浸渍技术在Si-NPA上制备了Au／Si-NPA。分别在新鲜和老化的Si-NPA衬底上制备了Au／Si-NPA。由于两组衬底表面的含氧量的不同，使得在这两种衬底上形成的Au／Si-NPA的表面形貌有所不同。在老化Si-NPA上，由于在柱间低谷区域的含氧量较低，金颗粒主要沉积在这些区域，并聚集形成准周期的纳米金的网络膜；而在新鲜Si-NPA上，由于整个样品的表面氧的含量都很低，因此，金颗粒则是均匀的沉积在整个Si-NPA上。只是在不同的区域沉积金颗粒的尺寸和疏密程度不同。 3．研究了Si-NPA在制备纳米贵金属薄膜过程中的作用。以Si-NPA为模板通过浸渍技术我们分别制备了Au／Si-NPA、Cu／Si-NPA以及自支撑Au／Si-NPA和纳米金膜。发现制备条件、沉积衬底以及沉积金属的不同，得到的纳米金属薄膜的表面形貌不同。尽管制备的纳米贵金属膜的表面形貌各异，但是，Si-NPA在这些制备过程中都是起着同样的双重作用。首先，Si-NPA具有还原作用。由于Si-NPA存在大量的硅纳米晶粒，使它具有高的表面活性和强的还原性。其次，Si-NPA还具有模板作用。由于Si-NPA具有规则的阵列结构，结构的规则性势必引起表面应力及表面电位分布的规则性，从而使得贵金属在Si-NPA上表面的沉积速度产生选择性。最终形成准周期的、规则的贵金属

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• §1.1 硅的纳米结构和硅基纳米体系
• §1.2 利用硅模板制备硅基纳米体系
• §1.2.1 纳米体系的模板制备法
• §1.2.2 多孔硅基纳米复合体系的膜板制备法
• §1.3 硅基冷阴极场发射材料
• §1.3.1 硅基尖锥形阴极阵列
• §1.3.2 多孔硅基复合场发射材料
• §1.3.3 平面硅基场发射阴极
• §1.3.4 硅基场发射材料现存问题与展望
• §1.4 本论文研究内容
• 第二章 金／硅纳米孔柱阵列复合体系的制备与结构
• §2.1 硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）模板的制备与结构
• §2.1.1 制备
• §2.1.2 结构与表面形貌
• §2.1.3 表面成分分析
• §2.2 金／硅纳米孔柱阵列（Au／Si-NPA）的制备
• §2.3 金／硅纳米孔柱阵列（Au／Si-NPA）的表征
• §2.3.1 以新鲜Si-NPA为模板制备的Au／Si-NPA表征
• §2.3.2 以老化Si-NPA为模板制备的Au／Si-NPA表征
• §2.3.3 以快速氧化Si-NPA为模板制备的Au／Si-NPA的表征
• §2.4 金的沉积时间对Au／Si-NPA表面形貌的影响
• §2.4.1 在新鲜Si-NPA上沉积金
• §2.4.2 在老化Si-NPA上沉积金
• §2.4.3 在老化和新鲜Si-NPA上沉积金不同时间得到的Au／Si-NPA的对比
• §2.5 金向衬底扩散的能力
• §2.6 Au／Si-NPA的形成机理
• §2.6.1 金属在硅表面上的沉积
• §2.6.2 多孔硅无电镀还原金属的机理
• §2.6.3 多孔硅无电镀还原金属的机理
• §2.6.4 在两组Si-NPA上沉积金的机理
• §2.7 本章总结
• 第三章 硅纳米孔柱阵列的场致电子发射
• §3.1 前言
• §3.2 场致发射基本原理
• §3.3 场发射理论的发展和模型
• §3.3.1 场发射理论的发展
• §3.3.2 场发射理论模型
• §3.4 场发射性能
• §3.4.1 场发射电流密度
• §3.4.2 场发射稳定性
• §3.4.3 场发射电流均匀性
• §3.4.4 场发射材料
• §3.5 硅纳米孔柱阵列的场致电子发射
• §3.5.1 场发射测试
• §3.5.2 新鲜Si-NPA场发射性能
• §3.5.3 老化Si-NPA场发射性能
• §3.5.4 极限场强测试后Si-NPA场发射及其形貌的变化
• §3.6 Si-NPA的场发射机理
• 第四章 金／硅纳米孔柱阵列的场致电子发射
• §4.1 前言
• §4.2 样品的测试手段
• §4.3 新鲜Si-NPA为衬底的Au／Si-NPA的表面形貌及其场发射
• §4.3.1 首次放入真空室的场发射
• §4.3.2 第二次放入真空室内的场发射
• §4.3.3 不同金沉积时间的Au／Si-NPA的场发射的比较
• §4.3.4 同制备条件样品场发射的比较
• §4.4 老化Si-NPA为衬底的Au／Si—NPA的场发射
• §4.5 Si-NPA和Au／Si-NPA场发射性能的比较
• §4.6 本章总结
• 第五章 以Si-NPA为模板制备纳米金属薄膜
• §5.1 前言
• §5.2 Si-NPA模板的制备及表征
• §5.3 Cu／Si-NPA
• §5.3.1 Cu／Si-NPA的制备
• §5.3.2 结果与讨论
• §5.3.3 小结
• §5.4 Au／Si-NPA
• §5.4.1 Au／Si-NPA的制备
• §5.4.2 结果与讨论
• §5.5 自支撑Au／Si-NPA膜和金网膜
• §5.5.1 自支撑Au／Si-NPA膜和金网络膜形成的过程
• §5.5.2 自支撑Au／Si-NPA膜和金网络膜表征
• §5.5.3 小结
• §5.6 自支撑金纳米网膜
• §5.6.1 自支撑金纳米薄膜的制备
• §5.6.2 自支撑金纳米薄膜的结构
• §5.6.3 自支撑金纳米薄膜的形成机理
• §5.6.4 自支撑金纳米薄膜氮吸附特性
• §5.6.5 小结
• §5.7 本章总结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 后记
• 致谢