非晶SiO纳米线的制备、修饰和加工

摘要

SiOx纳米线因其优异的性能在光通讯、光传感、催化、环境敏感材料的保护等领域中显示出了良好的应用前景，因此人们尝试了很多方法制备SiO。纳米线并对其生长机制进行分析，其中气-液-固机制得到了人们的广泛认可。但该机制涉及到很多复杂的化学过程，而这些化学过程受到反应腔中温度、压强、气流等多种参数的影响，甚至反应腔的设置、尺寸大小、几何形状和其它某些未知因素对最终反应产物也有一定的作用，所以SiOx纳米线气-液-固机制的生长过程及相关细节尚未完全明确，而这些过程与细节的全面准确理解对SiOx纳米线的可控制备和相关应用至关重要。 为此，我们自行研制了一台CS-25激光诱导高温化学气相沉积装置，该装置的加热炉体和石英管反应腔的尺寸都设计得较小，因此反应腔内部的温度、气流、压强都具有较好的均匀性和高度的可控性。依托这台装置，我们采用简单的方法在Si片衬底上制备出灰白色粉木状样品，利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、EDS能谱仪等对其形貌、结构、成分等进行分析和表征，结果表明该样品为SiOx纳米线。通过精确调节反应腔中的温度、压强、气流，控制生长时间分别为20min、25min、30min、40min、50min、60min，我们捕捉到了SiOx纳米线的催化、形核、生长的整个过程和细节，通过对这些过程的细致分析，我们取得了对VLS生长机制的更细致更透彻的理解，同时还提出了阶段性粗细不均的纳米线形成机理，这些都为SiOx纳米线的可控制备及相关应用提供了关键性的依据。 另一方面，制备的SiOx纳米线由于受自身尺寸限制，尤其是表面纳米曲率效应影响，具有一种结构上内禀热力学不稳定性，利用这种不稳定性可以对SiOx纳米线进行精确修饰与纳米加工使其更好地应用在纳米光电器件等各种领域中。为此，我们也对SiOx纳米线的修饰和纳米加工进行一些探究性的实验。在SiOx纳米线的修饰方面，我们通过在纳米线表面沉积一层Au薄膜后高温退火的方法制备了表面上有Au纳米颗粒修饰的SiOx纳米线的新结构，同时还利用高能常规电子束诱导下不同纳米线之间的物质传递制备了同轴复合结构的纳米线；在SiOX纳米线的纳米加工方面，我们研究了不同束斑大小、不同辐照位置的聚焦电子束对SiOx纳米线的纳米加工，发现纳米线的径向收缩是电子束辐照下的一个普遍存在的现象，而沿旁边辐照且束斑较小的电子束还可以引起纳米线的切割，沿中心辐照且束斑大的电子束还可以诱导纳米线有趣的“S”形弯曲变形。同时，通过对这些实验现象的深入分析，我们发现纳米线的“纳米曲率效应”和束辐照超快过程中的“软模效应”是在实验中诱导SiOx纳米线的修饰和加工的主要因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 SiOx纳米线的研究现状

1.1.1 SiOx纳米线的制备

1.1.2 SiOx纳米线的修饰和加工

1.2本论文的主要内容和基本框架

1.2.1本论文的主要内容

1.2.2本论文的基本框架

参考文献

第二章 仪器设备

2.1 CS-25激光诱导高温化学气相沉积装置

2.1.1设计原理

2.1.2仪器结构

2.1.3仪器在本论文中的应用

2.2磁控溅射装置

2.2.1仪器的原理

2.2.2仪器在本论本中的应用

2.3溅射镀膜装置

2.3.1仪器的原理

2.3.2仪器在本论本中的应用

2.4扫描电子显微镜

2.4.1仪器的原理

2.4.2仪器在本论本中的应用

2.5透射电子显微镜

2.5.1仪器的原理

2.5.2仪器在本论本中的应用

参考文献

第三章 SiOx纳米线的制备与分析

3.1引言

3.2实验装置与实验方法

3.2.1实验装置

3.2.2实验方法

3.3实验结果

3.3.1形貌观测

3.3.2成分分析

3.3.3结构分析

3.4结果分析与讨论

3.4.1生长过程分析

3.4.2生长机制分析

3.4.3气态Si原子的来源

3.5小结

参考文献

第四章 SiOx纳米线的修饰与加工

4.1引言

4.2 SiOx纳米线的修饰

4.2.1沉积Au并退火下的SiOx纳米线的表面修饰

4.2.2常规电子束辐照下的SiOx纳米线的复合修饰

4.3 SiOx纳米线的高能聚焦电子束下的纳米加工

4.3.1电子束沿纳米线中间辐照且束斑大于纳米线的直径

4.3.2电子束沿纳米线中间辐照且束斑小于纳米线的直径

4.3.3电子束沿纳米线边缘辐照且束斑小于纳米线的直径

4.4纳米曲率效应和超快过程对纳米线修饰和加工的影响

4.5小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录：硕士期间的研究成果

致谢