新型半導(dǎo)體亞穩(wěn)納米結(jié)構(gòu)的脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)制備、結(jié)構(gòu)和物性研究.pdf

1、從物質(zhì)形成的角度來看，人們的“物理”“化學(xué)”世界是由熱力學(xué)和動力學(xué)兩者構(gòu)成的世界。如果一個體系在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的(例如金剛石)，同時又需要一個更長的時間才能達(dá)到它最穩(wěn)定的構(gòu)型，那么這樣的體系在動力學(xué)上可能被認(rèn)為是穩(wěn)定的；或者它們也被認(rèn)為是“亞穩(wěn)的”。雖然熱力學(xué)是導(dǎo)致最終低能態(tài)本質(zhì)上不可抵抗的驅(qū)動力，但人們能夠使用動力學(xué)作為手段，令這種驅(qū)動緩慢下來，以便在一段時間內(nèi)使物質(zhì)達(dá)到某一特定亞穩(wěn)相目標(biāo)。 脈沖激光誘導(dǎo)液固界面反應(yīng)(Pul

2、sed—laser induced liquid—solid interface reaction，PLIIR)，由于具有瞬態(tài)高溫高壓的特點(diǎn)，使其在亞穩(wěn)相納米材料的制備上表現(xiàn)出通?；谄胶鉄崃W(xué)方法所不具備的優(yōu)越性。本文利用PLIIR方法制備了多種具有亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)或亞穩(wěn)形貌的新型半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，并通過系統(tǒng)表征這類亞穩(wěn)納米材料的結(jié)構(gòu)，研究了其相應(yīng)的物理化學(xué)性質(zhì)，并提出了相關(guān)的生長機(jī)制。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明PLIIR的創(chuàng)新點(diǎn)在于： (1)

3、高溫高壓相合成。在常溫常壓下，利用脈沖激光在液固界面產(chǎn)生的高溫高壓高密度等離子體中的物理和化學(xué)反應(yīng)來合成高溫高壓相，這意味著PLIIR在制備亞穩(wěn)相方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。 (2)納米尺度限制。利用液體的束縛，使得等離子體淬滅時間通常在納秒量級，以限制制備的亞穩(wěn)相尺寸在納米尺度內(nèi)，這表明PLIIR實(shí)際上打開了一扇通往納米材料制備的奇異之門。 (3)化合物合成。特殊反應(yīng)空間使得制備的納米晶可以是化合物，即組份分別來自于固體和液

4、體，從而為科學(xué)家針對某些方面的需要而對所合成的納米晶進(jìn)行有效的組份設(shè)計提供了方便。 本論文主要研究工作及成果創(chuàng)新點(diǎn)概括如下： ◆采用脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)了在常溫常壓下對亞穩(wěn)納米相的捕獲，并對納米晶從穩(wěn)定相向亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制進(jìn)行了研究。 采用PLIIR反應(yīng)方法，首次制備出一種單分散的具有體心立方相結(jié)構(gòu)的碳納米晶，即理論上預(yù)言的超密態(tài)碳；實(shí)現(xiàn)了六方相GaN晶體向立方相GaN納米晶轉(zhuǎn)化的固—固相變；通過

5、電勢場內(nèi)液相環(huán)境激光燒蝕沉積技術(shù)制備了具有亞穩(wěn)相四方結(jié)構(gòu)的鍺納米晶。這些研究表明，脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)方法是一種捕獲亞穩(wěn)納米相的有力工具。 ◆發(fā)展了無機(jī)鹽輔助的脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)方法，并采用該方法來控制制備過程中亞穩(wěn)形貌的形成，首次制備出了一種具有亞穩(wěn)相閃鋅礦結(jié)構(gòu)的硅準(zhǔn)納米方塊，和一種體心立方結(jié)構(gòu)的碳準(zhǔn)納米方塊。 為了探索可控生長，我們發(fā)展了無機(jī)鹽調(diào)控的激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)技術(shù)，并將其應(yīng)用于第Ⅳ主族元素中的碳、

6、硅半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的制備研究中，在實(shí)驗(yàn)上首次制備出了一種新穎的硅準(zhǔn)納米方塊和一種碳準(zhǔn)納米方塊。通過細(xì)致的結(jié)構(gòu)表征與物性分析后表明：所制備的硅準(zhǔn)納米方塊和碳準(zhǔn)納米方塊分別具有亞穩(wěn)相閃鋅礦結(jié)構(gòu)和一種新型的亞穩(wěn)相類C8結(jié)構(gòu)；同時通過陰極射線熒光光譜技術(shù)，我們進(jìn)一步研究了具有類C8結(jié)構(gòu)的碳準(zhǔn)納米方塊的發(fā)光特性，發(fā)現(xiàn)它具有藍(lán)紫光發(fā)射性能，是一種新型的寬帶隙半導(dǎo)體材料。 ◆發(fā)展了電場輔助脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)方法，通過采用這種技術(shù)來調(diào)控所制

7、備納米晶的結(jié)構(gòu)和形貌，分別制備出了兩種不同形貌的二氧化鍺準(zhǔn)納米晶體，并在光譜分析中觀察到了對所制備納米結(jié)構(gòu)形貌依賴的發(fā)光行為。 基于可控制備的理念，我們發(fā)展了電場輔助脈沖激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)方法。在不添加其他任何化學(xué)試劑情況下，通過在高純?nèi)ルx子水中進(jìn)行的電場輔助的激光誘導(dǎo)固液界面反應(yīng)，分別制備出了尺寸和形貌分布均勻的方塊狀及類梭子狀二氧化鍺準(zhǔn)納米晶體。并且在進(jìn)一步地對所制備的不同形貌二氧化鍺準(zhǔn)納米晶體的陰極射線熒光發(fā)光測試中，我