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一维半导体纳米材料是未来纳电子器件的基本组成单元,在电子、热电、光电乃至能源等领域都有重要的应用。因此探索和研究一维半导体材料的制备与性质是当今纳米研究中的一个重要方向。本论文利用化学气相沉积(CVD)技术,在单温管式炉中成功制备了硼(B)纳米线、硼(B)纳米剑、砷化铟(InAs)纳米线。利用多种形貌、结构和成分分析方法(SEM,TEM,HRTEM,EELS,SAED,XRD,Raman)对这些纳米材料进行了表征和分析,研究了其生长机理。利用微纳加工技术(FIB,EBL,UV-lithography)制备了相应的纳米器件,对其场发射、电学和热学等输运性质。
1)以单一有机试剂油胺作为反应溶剂和表面活性剂,合成了具有椭圆形貌的单分散CoPt3纳米粒子。CoPt3纳米粒子平均直径为6.6nm,长度为10nm。应用EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy)和STEM-EDX(scanning transrnission electron microscopy cornbined with energy dispersive X-ray spectroscopy)对其成分和元素分布进行了分析,Co与Pt的原子比为27:73,且Co与Pt均匀地分布在纳米粒子中,表明形成CoPt3合金纳米粒子。室温下CoPt3纳米粒子表现出超顺磁性质。使用碳热还原法,以硼粉、氧化硼粉和碳粉为原料,首次利用CoPt3纳米晶作为催化剂,在Si(111)表面上成功制备了大面积高密度的单晶硼纳米线。硼纳米线的长度在5-10μm,直径在30-50nm且尺寸分布较小,HRTEM和EDX分析表明硼纳米线为β-菱方单晶硼。场发射性质测试表明,其开启和阈值电场分别为9.0 V/μm和14 V/μm,高的阈值电场可能是由于纳米线密度高和无序生长导致的屏蔽效应及在基底与纳米线之间形成的不导电的SiO2层引起的。研究结果表明,采用CoPt3纳米粒子作为催化剂可以制备出具有小曲率半径的硼纳米线,是一个潜在的场发射纳米冷阴极材料。
2)成功使用金属热还原的方法,以硼、三氧化二硼和镁粉为原料,以Fe3O4和CoPt3两种纳米粒子为催化剂,在Si(111)表面上成功制备了两类单晶硼纳米剑。Ⅰ、Ⅱ类硼纳米剑的长度均为几个到十几个微米,宽度为十几个纳米到几个微米并随长度由顶端向尾端增加,厚度为几十个纳米并同样随长度而增加。通过HRTEM和SAED分析表明,两类硼纳米剑均为β-菱方相并具有很好的单晶性。EELS分析表明两个样品中都发现Si元素,不同的是Ⅰ类硼纳米剑中有一定量的Mg掺杂。同时利用Raman光谱对纳米剑的结构与掺杂进行了定性的研究。电输运性质的研究表明,不同温度条件下的电导率测量结果满足Mott的变程跃迁导电机制。两类硼纳米剑的导电性均随着温度的升高而增加,其中比起载流子浓度的增加,迁移率的增加起着更为主要的作用。而Mg掺杂的Ⅰ类硼纳米剑室温电导率为1.58×10-2(Ωcm)-1,其导电性比Ⅱ类要弱,主要可能是由Si的共掺杂所引起的。Ⅱ类硼纳米剑中的Si元素来自于Si基底。
3)利用传统的CVD方法生长了不同直径的砷化铟纳米线。通过紫外光刻的微加工技术制备了相应的场效应晶体管纳米器件,测量计算得到室温下的F盯迁移率在1000-2500 cm2/Vs左右。通过对低温垂直磁场下的电导测量,我们得到了砷化铟纳米线的普适电导涨落特性曲线。研究纳米线的平均磁导振荡幅度与温度的变化关系,计算得出对应的电子相位相干长度在100-200nm。这其他通过各种外延生长得到的材料特性相当,不仅证明了我们得到的纳米线具有较高的质量,同时也为研究平行磁场下的纳米线输运行为提供了保证。而砷化铟纳米线平行磁场下的研究没有能够得到预期的与AB效应相关的周期性振荡。这可能是由于掺杂或者杂质的存在使得纳米线核的输运性质发生改变,掩盖了较薄的表面态积累层内的电子干涉行为。
4)利用传统的CVD方法生长了20-30nm的砷化铟纳米线,通过紫外光刻的微加工技术制备了相应的热电测量器件。场效应晶体管输运性质的测量首先给出了室温下纳米线的迁移率在2000 cm2/Vs左右。其次利用背栅极电压对砷化铟纳米线的热电势进行了调控,在有效数据范围内效果较为明显,其趋势与Mott定律相符合。然后通过不同温度下的电导随栅压的变化关系明确了一维尺寸限制效应的工作温度。通过对40K的热电势调制证明了费米面扫过各子能带的态密度峰值时,对应能够得到热电势的局域最大值的理论预计。最后不同温度下热电势和功率因子随栅压的改变表明通过改变栅压控制子能带填充是调制一维体系的热电性质的有效手段。同时讨论了温度差测量和温度校准的实验技术细节。