Au/SiO2纳米颗粒膜和SiO2纳米线的光学特性及其生长机理的研究

摘要

一维纳米材料具有独特的光、电、磁和光催化等物理和化学性质，在光学、电学和信息存储领域的广阔应用前景引起了人们广泛重视。近年来，光致发光材料SiO2已广泛应用于微电子和光学电子等工业中。现已有多种方法制备了一维非晶SiO2纳米结构，像SiO2纳米管，SiO2纳米线等结构。目前，国内外有关 Au/SiO2纳米复合膜和SiO2纳米线的合成材料的研究相对较少，因而具有相对比较广阔的研究领域。
　　本文主要包括两部分内容:一部分是采用磁控溅射仪在Si(111)衬底上依次溅射SiO2和Au，然后在两种模式下进行退火处理制备Au/SiO2复合膜。另一部分，同样采用磁控溅射仪在Si(111)衬底上只溅射Au，然后在有Si粉的条件下退火，合成了具有定向生长的非晶SiO2纳米线。采用磁控溅射法是由于它是一种比较好的镀膜方式，可以在低温和可控条件下获得均匀的表面覆盖，并且还可以控制 Au的含量使其达到所需的量。同时初步探讨了退火温度和退火时间对Au/SiO2复合膜的表面形貌和发光特性的影响以及SiO2纳米线的生长机理。主要内容如下:
　　1.成功利用两步生长法制备了高质量的Au/SiO2纳米颗粒膜，即先利用磁控溅射在Si(111)衬底上溅射一层 SiO2作为介质膜，再在其上面溅射一层 Au膜。然后将溅射好的样品在N2气氛下，分两种退火模式进行处理。
　　2.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射方法(XRD)和光致发光(PL)等测试手段对退火后的Au/SiO2复合薄膜的表面形貌、微观结构和发光特性进行了分析，分别研究了不同的退火时间和不同的退火温度对薄膜表面形貌及发光特性的影响。结果发现，在固定退火时间的条件下，随着退火温度的增加 Au纳米颗粒的大小先增加后减小；在固定退火温度的条件下，随着退火时间的增加发光峰强度先增加后减小。在325 nm波长下对样品进行激发，在440 nm和523 nm处出现两个发光峰.440 nm的发光峰的来源与 Au颗粒的大小、数量以及试验方法有关，而523 nm的发光峰的来源与复合膜的结构有关。
　　3.采用磁控溅射仪在Si(111)衬底上溅射一层 Au膜，然后把镀有Au膜的样品和适量Si粉以及退火后的Au/SiO2纳米颗粒膜样品一起放入管式炉中进行退火，退火温度和退火时间分别是1100℃和40 min。最后得到大约30μm长，直径约35 nm左右且具有定向生长的非晶SiO2纳米线，而且在纳米线的末端有Au颗粒的附着，说明 SiO2纳米线的生成机制是按照气—液—固(VLS)方式生长的。在N2气流作用下，Si粉作为纳米线生长的硅源；Au/SiO2纳米复合膜样品提供了有效的催化作用。
　　4.利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察了SiO2纳米线的形貌；选区电子衍射(SAED)证实了SiO2纳米线属于非晶结构；光致发光谱(PL)研究了样品的发光特性。在325 nm的激发波长下激发，发现在519 nm处具有强烈的发光峰，这一发光峰与中空氧缺陷密切相关。

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第一章 绪论

1.1 纳米技术的发展

1.2 SiO2的基本性质以及应用

1.3 Au/SiO2纳米颗粒膜的研究进展

1.4 SiO2 纳米线的研究进展

1.5 本论文的选题依据

第二章 实验设备与测试方法

2.1 实验设备介绍

2.2 实验材料

2.3 样品的测试和表征

第三章 磁控溅射和退火法制备Au/SiO2纳米颗粒膜

3.1 Au/SiO2纳米颗粒膜的制备

3.2 退火温度对Au/SiO2纳米颗粒膜形貌的影响

3.3 退火时间对 Au/SiO2 纳米颗粒膜形貌的影响

3.4 本章小结

第四章 磁控溅射和退火法制备SiO2纳米线

4.1 SiO2纳米线的制备

4.2 SiO2纳米线的测试及特性分析

4.3 SiO2纳米线的生长机理的研究

4.4 本章小结

第五章 全文总结

5.1 本文的主要研究结果

5.2 对今后工作的建议

参考文献

论文作者在学期间发表的学术论文目录

致谢