一維鎢納米材料的制備及其生長機(jī)理研究.pdf

1、鎢(W)是重要的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，具有熔點(diǎn)高、高溫性能好、強(qiáng)度硬度高、電阻率低、電子逸出功低、熱膨脹系數(shù)和蒸氣壓低等特點(diǎn)，以及優(yōu)良的抗腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、電子信息、能源化工等領(lǐng)域。一維W納米材料兼具金屬W和一維納米結(jié)構(gòu)的雙重特點(diǎn)，使一維W納米材料具有更新奇的物理和化學(xué)特性。但由于W的超高熔點(diǎn)及超低蒸汽壓，其對應(yīng)一維納米材料很難采用常規(guī)制備方法獲得，因此尋求一種簡單、穩(wěn)定、低成本、高可控性、高產(chǎn)量的一維W納米材料制備方

2、法成為研究的熱點(diǎn)。目前，制備W納米線的方法大多工序繁雜，反應(yīng)條件苛刻，生產(chǎn)成本高，可控性差，從而限制了W納米線的批量化制備及規(guī)?；瘧?yīng)用。本文采用金屬催化法制備一維W納米材料，主要研究了一維W納米材料的金屬催化制備及其生長機(jī)理，研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)通過磁控濺射法和化學(xué)法在SiO2基片表面制備得到大規(guī)模、分散性良好、粒徑分布較為均勻的Ni納米催化顆粒，采用金屬催化低溫氣相沉積的方法在基片上成功合成了W單晶納米線陣列。

3、研究結(jié)果表明，金屬催化法同樣適合于一維金屬納米材料的制備，這為實(shí)現(xiàn)金屬納米線陣列的可控制備提供一種新方法。
　　(2)對Ni催化氣相沉積制備W納米線的生長機(jī)理進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)在W納米線的生長過程中頂端有Ni4W的固態(tài)催化顆粒，提出了頂端氣-固-固(VSS)催化機(jī)制。這種VSS催化機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)金屬納米線的可控制備，有效的控制納米線的生長位置和尺寸大小，為實(shí)現(xiàn)納米器件的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)對一維W納米結(jié)構(gòu)陣

4、列的可控制備進(jìn)行系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明:W納米線陣列的直徑主要受到催化劑和N2流量的影響，隨著催化劑顆粒尺寸的減小或者N2流量的減小，催化生長后W納米線直徑的尺寸也相應(yīng)變小;W納米線陣列的長度主要受到生長時(shí)間的影響，生長時(shí)間的延長會使W納米線陣列的長度也相應(yīng)的增加;W納米線陣列的密度主要受到催化劑和WO3粉末粒徑的影響，隨著催化劑顆粒密度的增大或者WO3粒徑的減小，W納米線陣列的密度也相應(yīng)增大;W納米線陣列的形貌主要受到生長溫度和基片

5、材料的影響，溫度升高會使得W納米線在橫向的生長速率不一樣，在生長初期形成倒錐形的微觀形貌，在生長后期形成有規(guī)則的六邊形形貌的一維W微米管結(jié)構(gòu);同時(shí)，基片材料也是影響W納米線陣列形貌的一個(gè)重要的因素，在相同條件下，SiO2基片上生成的W納米線陣列為六方結(jié)構(gòu)形貌，而W基片上生成的W納米線陣列為四方結(jié)構(gòu)形貌。因此，通過對W納米線陣列可控制備的研究，掌握了對W納米線陣列的規(guī)則、整齊和均一性的全局調(diào)控的能力，從而有望實(shí)現(xiàn)通過外場控制全局的納米器件

6、設(shè)計(jì)思想。
　　(4)采用一種基于金屬Ni催化氣相沉積過程的方法，成功在W基片上合成了具有四方形貌的W納米線陣列。四方W納米線頂端呈尖狀形貌，底端的寬度要明顯大于納米線的平均寬度。這種具有獨(dú)特幾何形貌結(jié)構(gòu)的W納米線陣列，是理想的新型場致電子發(fā)射材料。論文對四方W納米線陣列的生長條件進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明:四方W納米線陣列的寬度直接受到Ni催化劑尺寸的影響，隨著催化劑顆粒尺寸的減小，四方W納米線陣列的寬度也逐漸減小;當(dāng)生長溫度在95

7、0℃時(shí)，四方W納米線陣列的密度最大，有利于四方W納米線的生長;隨著生長時(shí)間的延長，不僅有利于四方W納米線陣列長度的增加，還有利于形成有序穩(wěn)定的四方W納米線結(jié)構(gòu);N2流量太小或太大都不利于四方W納米線陣列的生長，N2和H2氣壓會影響四方W納米線氣相生長基元的平均自由程λ，流速會對溫度梯度以及熱量散發(fā)等因素有影響，對四方W納米線陣列生長的影響十分重要。另外，本論文首次提出底端VSS催化生長機(jī)理制備四方W納米線陣列，同時(shí)認(rèn)為四方W納米線陣列的

8、生長遵循空間競爭機(jī)制。
　　(5)采用磁控濺射法在Si基片表面制備得到Cu納米催化顆粒，通過氣相沉積的方法，在950℃成功合成直徑在100nm左右，長度達(dá)到10μm，具有極高長徑比的W納米線陣列。Cu-W合金屬于固相不溶于液相的系統(tǒng)，在高溫過程中不會發(fā)生成分的變化，屬于假合金。Cu催化合成W納米線陣列的機(jī)理可能是由于Cu納米顆粒在催化過程中主要起誘導(dǎo)形核的作用，氣體W源在H2氣氛下還原生成的W原子會優(yōu)先吸附在Cu納米顆粒上。隨著生