纳微米结构的设计合成、结构表征及发光性能研究

摘要

本文采用“两步热蒸发法”借助气相制备的基底来设计合成各种形貌的纳米和微米结构，包括基于微米级金属锌球基底制备三维海胆状氧化锌(ZnO)纳米结构、基于二维锡酸锌基底制备尖端生长一维纳米线的氧化锌纳米锥阵列和基于微米级金属锌球三维基底制备开裂的氧化硅(SixO)空心球壳。“两步法”是指第一步在较低温条件下完成模板的制备，第二步在较高温条件下完成基于模板的各种相应的纳米结构的合成，两步合在一个实验过程中。对这些纳米结构的形貌、成分、晶体结构和物性的表征后分析了各种结构的生长机制和发光的性质。以下是本文的主要研究结果： 1.两步法气相合成海胆状ZnO纳米结构的生长机制和发光性能研究第一步在纯氩气保护气氛中利用热蒸发金属锌粉在气流下游沉积制备微米级锌球微粒基底；第二步升高温度使氧化锌和石墨反应生成非化学比氧化锌蒸汽，此时利用含10％氧气的氩氧混合气体将蒸汽带到锌球表面沉积形成氧化锌缓冲层，为一维氧化锌纳米线生成提供形核基底。我们对产物进行了FE-SEM、XRD、HRTEM的测试，表明合成的纳米结构符合预期结果，即是一种在球形基地上散发生长出一维纳米线的海胆状氧化锌纳米结构，球直径为1-5μm，线径大约为80nm。在少量海胆状纳米结构的分布的硅片沉底上存在许多直径在210nm左右的氧化锌颗粒，这些颗粒影响着发光谱的峰位，高斯拟合结果表明含有颗粒的样品(P2)相对于不含颗粒的样品(P1)在紫外峰位(396nm)有一个微小的红移，变为紫光(401nm)的发射。 2.两步法制备Zn2SnO4为基底的ZnO纳米锥阵列的生长机制和荧光特性第一步在较低温度下(700℃)纯氩气保护气氛中利用热蒸发金属锌粉在气流下游沉积制备锌模板，第二步，在较高温度下(1100℃)蒸发反应氧化亚锡(SnO)和碳粉混合物来制备纳米锥阵列。在对产物进行了FE-SEM、XRD、HRTEM的等测试后，我们发现产物是在锡酸锌模板上生长的氧化锌纳米锥阵列，并且锥顶端生长了一维氧化锌纳米线。纳米锥沿[10-10]方向生长并呈现此方向上的对称形貌。经过晶格失配度计算分析提出了ZnO纳米锥与基底取向关系和生长机理。在荧光发射特性研究中发现，发光谱主要有紫光和绿光两个来自于氧化锌纳米锥的峰，经谱峰Gauss拟合后又发现在490nm处有一个锡酸锌基底贡献的来自于氧缺陷的青绿光峰，这一个峄事实上也是氧化锌纳米锥的绿光峰展宽的原因。同时，利用纳米锥和基底界面处的原子迁移的模型解释了各种发光峰的来源。 3.两步法气相合成开裂的空心SixO球的生长破裂机制研究第一步在纯氩气保护气氛中利用热蒸发金属锌粉在气流下游沉积制备纳米级锌球模板；第二步在高温条件下蒸发SiO粉末，利用含10％氧气的氩氧混合气体将蒸汽带到锌球表面沉积形成氧化硅表层，保温1小时后降温。EDS谱表明，开裂空心球壳含有Si和O，比例约为4:1，此外还含有微量锌和氧化锌。分析认为是氧化硅包裹锌球后由于高温锌球不断蒸发，锌蒸汽不断对氧化硅表层施压，最后冲破逃逸，在裂口残留下微量锌并氧化，解释了XRD花样上的氧化锌峰。最后利用了克拉伯龙方程和垂直水平沉积模型简要分析了破裂机制。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2纳米材料的概念及分类

1.3纳米材料的基本特性

1.3.1量子尺寸效应

1.3.2小尺寸效应

1.3.3表面与界面效应

1.3.4宏观量子隧道效应

1.3.5介电限域效应

1.4纳米材料的制备与生长机制

1.4.1纳米材料制备研究进展

1.4.2分级纳米材料制备

1.5分级结构纳米材料的光学特性

1.6本文的研究内容

第二章 实验装置、原理和操作过程和产物表征

2.1实验装置简介

2.1.1实验设备简介

2.1.2实验装置示意图

2.2实验原理

2.3实验操作规程

2.4注意事项

2.5纳米材料的表征方法

2.5.1形貌与结构分析

2.5.2成分分析

2.5.3发光性能分析

第三章 两步法制备的海胆状ZnO纳米结构的生长机制及荧光发射特性研究

3.1引言

3.2实验过程

3.2.1样品制备

3.2.2样品测试

3.3结果与讨论

3.3.1样品的形貌和成分分析

3.3.2样品的物相与微结构分析

3.3.3海胆结构的生长机制

3.3.4海胆结构荧光发射特性

3.4本章小结

第四章 两步法制备Zn2SnO4为基底的ZnO纳米锥阵列的生长机制和荧光特性

4.1引言

4.2实验过程

4.2.1样品的制备

4.2.2样品的表征

4.3结果与讨论

4.3.1纳米锥阵列的形貌、成分和结构表征

4.3.2 ZnO纳米锥阵列生长机理

4.3.3 ZnO纳米锥的荧光发射特性

4.3.4 ZnO纳米锥生长条件研究

4.4本章小结

第五章 空心非晶氧化硅球的两步热蒸发法制备及其生长破裂机理

5.1引言

5.2实验和表征

5.3结果与讨论

5.3.1产物的形貌和成分

5.3.2破裂非晶氧化硅球的生长及破裂机理研究

5.4本章小结

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文