自催化法制备NdB纳米线及其表征

摘要

稀土六硼化物由于特殊的结构使其具有一系列其他材料无法比拟的能满足场发射性能要求的优良特性，如功函数小、硬度大、熔点高、导电率高、热稳定性好、化学性质好等特点。正是由于该材料具有良好的化学稳定性，用它制备的场发射器件性能稳定，使用寿命长，这是其具有广阔应用前景的重要原因之一。到目前为止，未见有关钕硼六(NdB6)纳米材料的制备及性能研究方面的报导。金属钕(Nd)具有高沸点的物理性质(熔点为1016℃，沸点超过3000℃)，如果利用金属Nd和其它B源为原料，用常规的固-气-液(VLS)或者气-固(VS)合成方法难以实现NdB<,6>纳米线的生长。另一方面，由于钕蒸汽的蒸气压不易控制从而导致了合成的过程不易被控制。出于上述综合因素的考虑，我们认为有必要寻找一种新的合成机制来实现NdB<,6>一维纳米线的生长。 本文利用金属原料钕自催化的方法，首次成功制备出NdB<,6>纳米线，并对其微结构进行了研究。对比不同条件下的实验结果，给出了钕硼六(NdB<,6>)纳米线生长的影响因素及其生长机理。这一合成方法的突破，一方面为纳米材料的合成提供了新的途径，另一方面也为进一步研究钕硼六的性能及应用提供了可能。 主要研究内容包括： 1)在我们的实验中，在11.50℃的条件下，首次利用金属钕与三氯化硼气体直接进行反应，实现了NdB<,6>一维纳米线的定向生长，所得纳米线的直径在80nm左右，长度约4gm。利用X射线衍射分析仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析仪器对所得样品进行的结果显示，所制备的样品为立方结构的NdB<,6>纳米线。 2)为了获取最佳的合成条件及相关因素对NdB<,6>纳米线生长的影响，我们分别在不同的温度：1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，和不同的金属原料粒径分布中：粒径分布范围相对较宽和粒径分布范围相对较窄，设计一系列组合实验，最终得出1150℃，粒径分布范围相对较窄的实验条件下，有利于NdB<,6>纳米线的合成。 3)在影响纳米线合成的因素中，重点讨论了反应温度、原料粒径以及气流量、催化剂和衬底的位置等因素对NdB6纳米线生长的影响。在1050℃时，NdB<,6>结晶比较差，合成的纳米线呈现出不规则的几何外形。1100℃时，虽然有NdB<,6>纳米线生成，但是数量较少。合成温度为1150℃时，纳米线的产量最好，有良好的几何外形，直径约100nm，长度约4μm。1200℃合成的NdB<,6>纳米线，结晶程度良好，但是晶粒粗大，直径约1-2μm。同时，针对原料粒径对实验结果的影响，通过实验结果，我们发现粒径范围分布较窄的纳米线结晶程度比分布较宽的好。 4)根据晶体生长动力学知识，我们定性分析得出：在低温阶段激活能(Q)较小，又由热力学知识可知，此时其不可逆程度大，因此，晶核生成数量大，晶体结晶程度差。当温度升高后，激活能值较大，虽不可逆性仍很大，但晶核相对较难生成，这就影响了晶体的生长，但是其结晶程度好。 5)提出了自催化合成一维纳米线的机制。我们认为自催化法合成NdB<,6>纳米线，是由于当温度超过1050度以后，金属钕融化，表面能升高，此时与硼源接触后，金属钕与硼源中分解出来的B相结合而形成NdB<,6>的晶核，随着反应的进行，晶核逐渐长大，直至金属钕源耗尽。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2纳米材料的特性

1.2.1量子尺寸效应

1.2.2宏观量子隧道效应

1.2.3库仑阻塞效应

1.2.4小尺寸效应

1.2.5表面效应

1.3纳米材料的应用前景

1.3.1纳米电学器件

1.3.2纳米光学器件

1.3.3纳米传感器

1.3.4其它性能及相关应用

1.4纳米材料的化学制备方法进展

1.4.1固相化学合成

1.4.2化学气相沉积法

1.4.3液相法

1.5稀土类化合物—维纳米材料的研究进展

1.6研究目的及创新

第二章实验内容、设备及测试仪器

2.1实验内容

2.2测试仪器和方法

第三章NdB6纳米线的制备和表征

3.1引言

3.2 NdB6纳米线的合成

3.2.1实验原料及设备：

3.2.2实验装置示意图：

3.2.3实验过程：

3.2.4产物表征

3.3实验的结果与分析

3.3.1反应温度

3.3.2原料的粒径

3.3.3其它影响因素

3.4 NdB6纳米线生长机制讨论

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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