一維SnO-,2-納米材料的制備、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究.pdf

1、納米材料的合成、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究是納米科技領(lǐng)域中最富有活力、研究內(nèi)涵十分豐富的一個(gè)研究方向。SnO<,2>是一種被廣泛應(yīng)用于光電子，微電子領(lǐng)域的重要功能材料，可以被應(yīng)用于如太陽能電池，透明導(dǎo)電電極，氣敏傳感器，晶體管等器件中。近年來，隨著SnO<,2>納米結(jié)構(gòu)如零維的納米顆粒；一維的納米線、納米管、納米帶、納米棒；二維的納米薄片等結(jié)構(gòu)的相繼問世，各國科學(xué)家對其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究工作相繼展開，并在短時(shí)間內(nèi)，取得了豐碩的研究成果。盡管如此，我們在

2、一維SnO<,2>納米材料的合成、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究方面仍面臨眾多挑戰(zhàn)，例如，在現(xiàn)有的一維SnO<,2>納米材料制備的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)除模板法以外的均勻尺度的納米材料的控制合成以及一維SnO<,2>納米結(jié)構(gòu)器件的自組裝制備等。立足于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和前人的研究成果，作者通過對具有金紅石結(jié)構(gòu)的直接寬帶隙(3.6ev)n型半導(dǎo)體SnO<,2>功能材料的準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)的合成，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度探討了它們的生長機(jī)制及形成原因，繼而研究了SnO<,2

3、>納米材料在氣敏傳感器方面的應(yīng)用價(jià)值。 本論文主要有如下三點(diǎn)創(chuàng)新： ■ 首次合成出SnO<,2>納米草葉結(jié)構(gòu)；通過熱蒸發(fā)法實(shí)現(xiàn)了納米線在550℃的低溫生長：發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的自催化生長現(xiàn)象；通過成核熱力學(xué)與生長動(dòng)力學(xué)理論解釋了尺度決定納米結(jié)構(gòu)形貌的現(xiàn)象。 多種形態(tài)的一維SnO<,2>納米材料如納米線，納米帶，納米草葉等結(jié)構(gòu)通過貴金屬(金，金銀合金)助催的熱蒸發(fā)法方式在Si襯底上被制備出來，Y形結(jié)，蜘蛛狀枝晶，鋸齒

4、形鏈，和孿晶結(jié)構(gòu)被觀察到，許多新的發(fā)光中心出現(xiàn)在所制備樣品的PL譜中。同時(shí)，SnO<,2>的自催化生長現(xiàn)象通過高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)被觀察到，經(jīng)研究表明，SnO<,2>納米線金紅石結(jié)構(gòu)的(110)晶面為SnO<,2>在低溫條件下成核提供了熱力學(xué)的可能性。 此外，在實(shí)驗(yàn)和理論上系統(tǒng)地研究了一維SnO<,2>納米結(jié)構(gòu)形貌演化的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鈉米線和納米帶兩相間形貌轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力即吉布斯自由能決定了納米結(jié)構(gòu)在成核、生長

5、以及形貌轉(zhuǎn)變等不同生長階段的形狀選擇，這表明熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力是導(dǎo)致一維納米結(jié)構(gòu)生長過程中形貌變化的物理根源。 ■ 首次合成出一維SnO<,2>/Sn同軸納米電纜，深入解釋了SnO<,2>/Sn納米電纜的生長機(jī)制、在透射電子顯微鏡(TEM)電子束輻照的條件下SnO<,2>/Sn納米電纜發(fā)生形變的物理機(jī)制以及將SnO<,2>/Sn納米電纜置于帶加熱臺的TEM下，隨溫度升高，電纜中的Sn未發(fā)生相變和熔化現(xiàn)象的物理機(jī)制。 SnO<

6、,2>/Sn納米電纜通過Au-Ag合金助催的對SnO粉術(shù)的熱蒸發(fā)方法在單晶Si襯底上首次被制備出來，并且提出了相關(guān)的生長模型。通過TEM觀測，發(fā)現(xiàn)在電子束誘導(dǎo)的作用下，SnO<,2>/Sn納米電纜會出現(xiàn)奇異的形貌變化，并且根據(jù)納米尺度的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論，提出了一系列異常形變的物理機(jī)制。對SnO<,2>/Sn納米電纜在TEM條件下進(jìn)行了原位退火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)被束縛在SnO<,2>納米管內(nèi)的立方相Sn納米線在溫度達(dá)到700℃時(shí)沒有發(fā)生相變的巨

7、大過熱現(xiàn)象，為此建立了相應(yīng)的熱力學(xué)模型，指出了SnO<,2>納米管的束縛作用是致使其內(nèi)部立方Sn納米線產(chǎn)生巨大過熱現(xiàn)象的主要原因。 ■ 通過自組裝方式制備出SnO<,2>納米線氣敏傳感器，發(fā)現(xiàn)該傳感器與其他SnO<,2>氣敏傳感器及其他金屬氧化物材料的傳感器相比對H<,2>具有更高的探測靈敏度。 為了將所制備的一維SnO<,2>納米材料應(yīng)用于氣敏傳感器，制備了微一納結(jié)構(gòu)的梳狀交叉電極，并且通過自組裝方法將所制備的SnO