非晶碳表面氧化锌纳米结构的生长、结构和物性

摘要

本论文主要有如下三点创新： 发展了一种合成准一维ZnO纳米结构的新方法即将互不相溶系统的排斥力作为一维纳米结构组装的热力学驱动力的思想，并在互不相溶的碳一氧化锌系统中得到了实验证实。在非晶碳表面上通过热输运化学气相沉积方法制备出多种形态的一维和二维ZnO微纳结构，并且建立了不同纳米结构生长的热力学与动力学模型。 利用热输运化学气相沉积方法在非晶碳衬底上制备ZnO纳米线。在非晶碳表面上制备准一维ZnO纳米结构，利用ZnO与非晶碳系统互不相溶性为ZnO纳米结构在非晶碳上形核生长提供驱动力。同时，通过调整纳米线的生长条件利用这种方法制备出了多种形貌的准一维ZnO微纳结构，如圆锥状，铅笔状，和倒T状微纳结构，以及花瓣状ZnO纳米线阵列等；具体研究了准一维ZnO纳米结构在非晶碳衬底上的生长机制。实验方面发现ZnO晶核可以在非晶碳表面上自发地聚集团簇，并且ZnO纳米结构是在没有中介层的存在下直接在非晶碳表面上形核生长的。理论分析发现ZnO与碳的互不相溶性在ZnO的形核团聚及一维取向生长这两个重要的过程中起到了非常重要的作用；利用晶体生长热力学和动力学理论建立了准一维ZnO纳米结构生长的物理模型，证实了生长环境中ZnO浓度的变化对于ZnO纳米线在生长过程中的形貌变化具有重要的影响。 提出了用纳米线网络实现场发射冷阴极材料的表面功能修饰以改善其场发射性能的思想，并在ZnO纳米棒网络一非晶金刚石复合结构中得到了实验上的实现；在非晶碳衬底上自组装出圆锥状，铅笔状，和倒T状等三种典型一维ZnO微纳结构作为场发射体，证实了ZnO纳米线的场发射特性显著地依赖于其尖端形状，对于实际器件应用而言，纳米圆锥结构是最理想的。 实验上通过在非晶金刚石衬底表面制备准一维ZnO纳米线，使得非晶金刚石的场发射性能得到显著的改善，意味着可以利用纳米线网络实现场发射冷阴极材料的表面功能修饰以达到改善其场发射性能的目的；测试研究了三种不同形貌的一维ZnO微纳结构的场发射性能，对比其它结构发现圆锥状ZnO微纳结构的场致电子发射性能比较突出，开启以及阈值电场分别为2.4以及4.3V／um。研究显示，圆锥状ZnO微纳结构的几何因素如较小的圆锥角及圆锥半径对其场发射性能起到了良好的作用，确定了锥形的ZnO微纳结构作为冷阴极场致电子发射材料具有最优的几何结构；通过调整纳米线的生长条件制备出圆锥状的准一维ZnO纳米阵列，它优异的场发射性能进一步地证实了场发射体的几何结构因素对其场发射性能有重要影响。 制备出花瓣状的ZnO纳米线阵列，并且发现这种纳米结构具有超疏水性；在单根铅笔状ZnO纳米线的CL谱中观测到显著的紫光随纳米结构尺度减小而发生蓝移现象，并基于Burstein-Moss效应提出了相关的理论模型，很好地解释了这种异常的尺度依赖蓝移的物理起源，这意味着人们有可能通过控制微纳结构的尺度和形貌进而控制其光电功能。 对三种不同形貌的ZnO纳米结构进行了疏水性能测试，对比发现花瓣状ZnO纳米线具有非常优异的超疏水性能，水滴在其表面的接触角达到了151.1°。分析认为存在于纳米结构与水滴表面的空气比例对材料的疏水性能具有很重要的影响；利用CL光谱研究了铅笔状ZnO纳米线的紫外发光现象。发现随着纳米线的直径减小，在电子束激发下，紫外光的能量明显地向高能方向移动，解释了这种尺度依赖的发光现象并建立了相应的物理模型，通过分析认为这种情况是材料在高载流子浓度下所产生的BM效应引起的。另外实验方面首次发现在电子束激发下，所得到的ZnO纳米线的单色发光像中出现明暗相间的发光现象。 关健词：互不相溶性;场致电子发射;表面与界面能;阴极射线致荧光;BM效应

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文摘

英文文摘

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第一章导论

1.1纳米材料概述

1.2准一维纳米材料的研究概况

1.3准一维ZnO纳米材料的研究概况

1.4本论文的主要内容和章节安排

参考文献：

第二章准一维ZnO纳米材料的制备、表征以及生长机理

2.1准一维ZnO纳米线在非晶碳表面的形核与生长

2.2准一维ZnO纳米线在非晶碳表面自催化生长机制

2.3准一维ZnO微纳结构在非晶碳表面的生长机制

2.4本章小结

参考文献：

第三章准一维ZnO纳米线场致电子发射性及控制

3.1非晶金刚石表面上准一维ZnO纳米线的场致电子发射性能：

3.2准一维ZnO纳米线的场致电子发射性能：

3.3 ZnO纳米锥的可控生长及其场发射性能改善：

3.4本章小结

参考文献：

第四章准一维ZnO纳米线的某些物理性能研究

4.1：准一维ZnO纳米线的表面疏水性能

4.2：准一维ZnO纳米线的发光性能研究

4.3：本章小节

参考文献：

第五章总结与展望

5.1：论文的主要研究内容

5.2：进一步的工作展望

附录

致谢