高压釜制备线状和网状纳米氧化硅及其光致发光

摘要

传统的微电子技术存在物理极限和人们对信息处理能力越来越高的要求使得信号的处理可能由电信号向光信号转变。氧化硅具有优良的绝缘性能，晶体的氧化硅具有良好的光导性能，通过对氧化硅薄膜和多孔氧化硅发光性能的研究表明氧化硅具有较强的光致发光，发光范围主要集中在可见光的蓝光区域。因而，人们开始投入大量的精力研究氧化硅纳米材料的制备及其光致发光现象。 现在对氧化硅纳米材料的研究主要是对其一维材料的的研究，开发出一些制备氧化硅纳米线的方法，大多数方法在制备过程中添加了金属催化剂，而且反应需要高温、真空等严格的实验条件，所需的设备昂贵，操作复杂。因而我们尝试了采用高压釜制备氧化硅纳米材料。本研究的重点集中在水热法制备氧化硅纳米线中保温温度、反应釜的填充度、保温时间等实验条件对纳米线生长的影响，通过对比实验研究，我们得到了氧化硅纳米线的制备条件，结合高温高压下水的行为，提出了氧化硅纳米线的生长机制。以及溶胶凝胶．溶剂热法制备网状氧化硅纳米材料，该材料具有很强的蓝色发光现象。 水热法制备氧化硅纳米线的条件是保温温度为450℃，反应釜的填充度为5％，反应原料中加入适量(6wt％)的SiO<,2>纳米粉末，保温时反应釜的压力在7.5-9.0MPa，保温时间为4-10小时，搅拌速度为100r/min。此时得到的纳米线直径在100-200nm，长度可以达到微米级。其表面光滑，没有其他杂质，是一种非晶材料。纳米线由硅和氧两种元素组成，两者的原子数之比为1∶1.16，远小于SiO<,2>中的1∶2，氧含量比其他方法制得的纳米线要低。氧化硅纳米线在426nm和446nm处有较强的光致发光，是由纳米线中缺氧形成的氧缺陷中心引起的。氧化硅纳米线主要在反应釜釜盖上成核生长，通过大量的对比实验，结合水热结晶学的相关知识，我们提出氧化硅纳米线生长过程可以用一种气-固(V-S)生长机制来解释。实验中我们还观察到了一些特殊形貌的氧化硅纳米结构，结合实验结果提出来这些特殊结构的形成过程。 最后我们采用溶胶-凝胶、溶剂热两步法制备氧化硅棒网状结构，以含Fe正硅酸乙酯(TEOS)水解凝胶为原料，以乙二胺为反应介质，在200℃、1MPa条件下保温24小时获得氧化硅棒网状结构。构成网状结构的氧化硅短棒的直径和长度分别为20nm和60nm，由原子数比例为1∶1.4的硅和氧组成，含有晶体状的硅和无定形的氧化硅两个状态。氧化硅网状结构具有较强的蓝色发光，能够直接观察到其发光。高斯拟合结果说明它的发光峰由418nm和470nm的两个小峰组成，与现有的用于解释氧化硅材料发光的氧缺陷发光机制符合得相当好，我们也采用这一机制解释了网状氧化硅的发光现象。产物中含有大量的纳米级尺寸的微孔，把催化剂填满这些纳米孔，可以有效地催化其他化学反应，因此，这种网状结构不仅可以用作发光材料，同时也可以用作催化剂的载体。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1前言

1.2氧化硅纳米线的制备

1.2.1激光烧蚀法

1.2.2模板法

1.2.3化学气相沉积法

1.2.4物理热蒸发法

1.2.5硅片刻蚀法

1.2.6溶剂热法

1.3氧化硅纳米线的生长机制

1.3.1气-液-固(VLS)机制

1.3.2类气-液-固(Based on VLS)机制

1.3.3其他机制

1.4氧化硅纳米线的性能

1.4.1发光性能

1.4.2电性能

1.4.3力学性能

1.5水热法及溶剂热法

1.6课题研究的意义、目的及研究内容

第2章氧化硅纳米线的水热法制备及光致发光性能

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验所用设备

2.2.2实验原料

2.2.3 工艺方法

2.2.4表征设备

2.3实验结果及讨论

2.3.1氧化硅纳米线的形貌、成分与微结构

2.3.2氧化硅纳米线的发光性能

2.3.3其他位置产物的形貌

2.4本章小结

第3章氧化硅纳米线的生长机制及特殊结构

3.1前言

3.2氧化硅纳米线的生长机制

3.2.1高温高压下超临界水的行为

3.2.2氧化硅纳米线的最佳制备条件

3.2.3氧化硅纳米线的生长过程

3.3氧化硅纳米线的特殊结构

3.3.1氧化硅纳米特殊结构的形貌

3.3.2氧化硅纳米特殊结构的形成过程

3.3.3氧化硅纳米鳞片结构和纳米花状结构

3.4本章小结

第4章溶剂热法制备网状氧化硅纳米材料和光致发光

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1实验所用设备

4.2.2实验原料

4.2.3工艺方法

4.2.4表征设备

4.3实验结果及讨论

4.3.1网状氧化硅的形貌、成分、结构

4.3.2网状氧化硅的发光性能及影响因素

4.3.3网状氧化硅的形成过程

4.4本章小结

结 论

参考文献

附录

致 谢