纳米压痕法研究单根ZnS纳米带的光机械效应

论文摘要

作为一种重要的直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体（300 K时,禁带宽度为3.66eV）和发光材料,ZnS因在平面显示器、电致发光器件、红外视窗、传感器和激光等领域存在巨大的应用前景,因而引起了人们的广泛关注。ZnS一维纳米材料,如纳米带和纳米线,呈现出了良好的光电性能,因此它们能被用来制造电子、光电和激光纳米器件。在利用一维纳米结构制造纳米功能器件时,一维纳米结构的力学失效会导致整个器件的故障或失效,因此准确测量它们的力学性能是非常重要的。本文通过热蒸发法制备了ZnS纳米带,并对其晶体结构和表面形貌进行了表征。我们通过搭建的紫外光纳米压痕测试系统,测量了ZnS纳米带在无光与紫外光照下的力学性能,观测了ZnS纳米带的光弹性效应和光塑性效应,并且探讨了ZnS纳米带光弹性效应和光塑性效应的物理机制。本论文的主要内容如下:（1）首先,介绍了纳米材料与纳米科技的发展历程,概述了ZnS纳米材料在不同领域里的应用情况与当前的研究现状。然后,介绍了纳米压痕测试技术的发展历程和其在纳米材料研究领域取得的研究成果,详细阐述了利用纳米压痕方法测量弹性模量和硬度的原理。最后,对本论文的研究内容做了简单介绍。（2）用热蒸发法制备了ZnS纳米带,通过X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和纳米压痕仪对其晶体结构和表面形貌进行了表征。ZnS纳米带的XRD图表明其属于六角纤锌矿结构,FE-SEM图表明其长度在100-200μm之间,TEM、AFM和纳米压痕仪形貌图表明部分纳米带存在锯齿状侧面,厚度在100 nm左右。（3）用纳米压痕仪测量了ZnS纳米带在无光与紫外光照下的载荷—位移曲线。通过比较ZnS纳米带在无光与紫外光照下的弹性模量,在宽厚比为3.2-4.1范围内的ZnS纳米带上发现了负光弹性效应,在宽厚比为4.9-9.6范围内的ZnS纳米带上发现了正光弹性效应。ZnS纳米带正光弹性效应的物理机制可以用纳米带内光生载流子所导致的表面效应和电子应变来解释。负光弹性效应可以用光照ZnS纳米带时产生的热效应和弹性常数减小来解释。（4）通过比较ZnS纳米带在无光与紫外光照下的硬度,我们发现ZnS纳米带存在正光塑性效应和负光塑性效应,并且光塑性效应与纳米带的宽厚比有关。负光塑性效应存在于宽厚比为3.2-4.1范围内的ZnS纳米带上,正光塑性效应存在于宽厚比为4.9-9.6范围内的纳米带上。ZnS纳米带的光塑性效应与宽厚比的关系可以用佩尔斯势增加和光照增强位错滑移这两种竞争机制来解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料与纳米科技
• 1.2 ZnS 纳米材料
• 1.2.1 ZnS 纳米材料的基本性质
• 1.2.2 ZnS 纳米材料的应用
• 1.2.3 ZnS 纳米材料的研究现状
• 1.3 纳米压痕测试技术
• 1.3.1 纳米压痕仪
• 1.3.2 纳米压痕实验测量弹性模量与硬度的原理
• 1.3.3 纳米压痕测试技术研究现状
• 1.4 本论文的主要内容
• 第2章 ZnS 纳米带的制备与表征
• 2.1 ZnS 纳米带的制备
• 2.1.1 热蒸发法制备ZnS 纳米带的实验装置
• 2.1.2 热蒸发法制备ZnS 纳米带的实验过程
• 2.2 粉末状ZnS 纳米带的晶体结构与形貌表征
• 2.2.1 X 射线衍射晶体结构分析
• 2.2.2 场发射扫描电镜形貌分析
• 2.3 单根ZnS 纳米带的晶体结构与形貌表征
• 2.3.1 纳米带的分散
• 2.3.2 高分辨透射电镜晶体结构分析
• 2.3.3 透射电镜形貌分析
• 2.3.4 原子力显微镜形貌分析
• 2.3.5 纳米压痕仪形貌分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 单根ZnS 纳米带光弹性效应
• 3.1 光弹性效应及实验观测
• 3.1.1 纳米结构的光弹性效应
• 3.1.2 光弹性实验测试系统的搭建
• 3.1.3 光弹性效应的实验观测
• 3.2 单根ZnS 纳米带的光弹性效应
• 3.2.1 单根ZnS 纳米带的正光弹性效应
• 3.2.2 单根ZnS 纳米带的负光弹性效应
• 3.2.3 单根ZnS 纳米带光弹性效应与其宽厚比的关系
• 3.3 单根ZnS 纳米带光弹性效应的机理解释
• 3.3.1 氧吸附机理
• 3.3.2 光照下纳米带表面电子应变引起的正光弹性效应
• 3.3.3 光照纳米带产生的热效应及弹性常数减小引起的负光弹性效应
• 3.4 本章小结
• 第4章 单根ZnS 纳米带光塑性效应
• 4.1 光塑性效应及实验观测
• 4.1.1 纳米尺度上的光塑性效应
• 4.1.2 光塑性效应的实验观测
• 4.2 单根ZnS 纳米带的光塑性效应
• 4.2.1 单根ZnS 纳米带的正光塑性效应
• 4.2.2 单根ZnS 纳米带的负光塑性效应
• 4.2.3 单根ZnS 纳米带光塑性效应与其宽厚比的关系
• 4.3 单根ZnS 纳米带光塑性效应的机理解释
• 4.3.1 佩尔斯势增加引起的正光塑性效应
• 4.3.2 光照增加位错滑移引起的负光塑性效应
• 4.3.3 单根ZnS 纳米带佩尔斯势增加与光照增加位错滑移间的竞争机制..
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文