PbS晶体的仿生矿化制备、组装及光检测器件的构筑

摘要

仿生矿化与合成是一门涉及材料学、化学、物理学以及生命科学等多学科交叉的边缘学科,由此制备的材料具有独特的结构特征和重要功能,使之成为无机材料研究的一个热点。所谓仿生矿化与合成,就是以有机基质为模板,调控模拟生物矿化中无机晶体材料的形成过程。在过去的研究中,利用Langmuir膜类似半层生物膜结构特征的性质,人们已经制备了大量的无机晶体材料。PbS晶体也由于其优异的光电性质引起了人们的广泛关注,并利用Langmuir膜诱导制备了各种结构特征和形貌的PbS晶体材料。
　　基于仿生矿化方法,可以实现从分子水平到介观水平,对晶体形状、尺寸、结构、取向和排列组装方式进行多重精确控制和组装,形成复杂的有序结构。并且所制备的无机晶体通常具有良好的结晶性,这些特点为材料的结构和性能优化带来了极大的便利。LB技术作为一种简便有效的组装技术,可以方便地在气液界面上实现对材料聚集状态的调控。在以往的仿生矿化和生物矿化研究中,人们在有机分子膜对无机晶体材料生长的调控方面投入了大量的精力。但将以往独立出现的Langmuir膜诱导无机晶体生长与LB技术对材料的组装结合在一个过程中的研究却鲜有报道。通过将仿生矿化界面上无机晶体材料的生长和组装过程的统一,可以发展从原子尺度有序生长到宏观有序组装的无机晶体材料的一步制备方法。
　　基于以上问题,本文结合Langmuir膜在原子尺度上的微观结构控制和后续表面压对宏观组装行为的调控,研究了Langmuir膜诱导PbS晶体在气液界面上的生长及组装行为,获得了从原子尺度到宏观尺度有序的PbS晶体聚集形态;结合纳米压印技术制备了叉指微纳米电极,构建基于菱形PbS晶体的光检测器件,并研究PbS光检测器件的性能。
　　具体的研究工作可分为以下几个方面:
　　1.菱形PbS晶体材料的制备及其后续组装
　　基于Langmuir膜对晶体生长的诱导作用和后续表面压对晶体聚集的调控,一步实现了晶体从原子尺度有序生长到宏观有序的组装。以山嵛酸(BA)Langmuir膜为模板,在极低表面压下制备了(200)晶面取向的菱形PbS晶体材料。之后通过改变不同的表面压,调控界面上PbS晶体的聚集状态,获得了从原子尺度到宏观尺度有序的PbS晶体聚集形态。
　　2.微纳米电极的制备
　　为了实现对PbS晶体光电性能的研究,我们需要制备电极梳齿间隙较小的微纳米电极。通过纳米压印技术制备了间距为400nm左右的纳米电极,电极测试区域面积较大,使得PbS光检测器件的构筑难度降低,为发展基于PbS晶体的光检测器件提供了良好的基础。
　　3.PbS光检测器件的构筑及其性能研究
　　在第一章中我们通过山嵛酸Langmuir膜诱导,在极低表面压下制备了菱形PbS晶体材料。在此基础上,本章结合纳米压印技术制备的微纳米电极,将PbS晶体材料组装于电极之上,构筑菱形PbS晶体的光检测器件。通过半导体特性测量系统研究了暗态和光照条件下器件的电流变化情况,对PbS晶体的光电性能进行了测试。

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第一章 绪论

§1.1 生物矿化与仿生矿化的研究

§1.2 Langmuir 膜诱导制备 PbS 晶体的研究

§1.3 LB 组装技术的研究

§1.4 微纳米电极及光检测器件的研究§1.4.1 微纳米电极的加工技术

§1.5 目前存在的主要问题

§1.6 本论文研究的目的、思路和内容§1.6.1 论文的研究目的和思路

参考文献

第二章 菱形 PbS 晶体材料的制备及其后续组装

§2.1 引言

§2.2 实验部分

§2.3 实验结果分析

§2.4 本章小结

参考文献

第三章 微纳米电极的制备

§3.1 引言

§3.2 用 EBL 光刻技术制备纳米电极

§3.3 用纳米压印方法制备微纳米电极

§3.4 本章小结

参考文献

第四章 PbS 光检测器件的构筑及其性能研究

§4.1 引言

§4.2 PbS 光检测器件的构筑§4.2.1 实验试剂及材料

§4.3 PbS 光检测器件性能的研究§4.3.1 实验仪器

§4.4 本章小结

参考文献

总结与展望

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢